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Submitted by Francisco Maciel Monticeli (f.monticeli@unesp.br) on 2021-10-04T14:35:36Z No. of bitstreams: 1 Monticeli FM (Tese Doutorado).pdf: 12480493 bytes, checksum: b575cdc3d5a62f79b5776000a96741a5 (MD5) Approved for entry into archive by Pamella Benevides Gonçalves null (pamella@feg.unesp.br) on 2021-10-05T15:15:04Z (GMT) No. of bitstreams: 1 monticeli_fm_dr_guara.pdf: 12480493 bytes, checksum: b575cdc3d5a62f79b5776000a96741a5 (MD5) Made available in DSpace on 2021-10-05T15:15:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 monticeli_fm_dr_guara.pdf: 12480493 bytes, checksum: b575cdc3d5a62f79b5776000a96741a5 (MD5) Previous issue date: 2021-09-13 Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) O desenvolvimento da indústria aeronáutica resultou na busca de materiais que atendam aos requisitos mecânicos para aplicação estrutural, visando também estruturais mais eficiente. Deste modo, os compósitos atendem aos requisitos, porém a dificuldade da aplicação de compósitos avançados ocorre principalmente pelo coeficiente de segurança e aplicação de modelos empíricos e fenomenológico de caracterização mecânica, elevando o dimensionamento devido à baixa resistência interlaminar. A adoção do compósito híbrido (fibra de carbono/vidro) pode apresentar uma solução viável com possibilidade de aumento de propriedade mecânica interfacial em caso de sinergia entre o comportamento de ambos os reforços. A aplicação de laminados híbridos reduz o módulo de elasticidade, considerando em relação de contribuição de cada reforço. Entretanto, notou-se a ausência de estudos de caracterização da propagação da trinca interlaminar dos compósitos laminados híbridos. O objetivo principal deste trabalho é a caracterização da progressão de dano interlaminar em compósitos híbridos (fibras contínuas de carbono/vidro) e o desenvolvimento de um modelo de predição de propagação de trinca, considerando os mecanismos físicos de fratura para um laminado com mais de um tipo de reforço. O laminado híbrido apresentou maior resistência à delaminação nos modos I e II sob carregamento quase-estático e cíclico, comparado aos laminados não-híbridos. Esse comportamento foi confirmado pela aplicação do método de balanço de energia com base em evidências físicas, na qual a maior rugosidade da interface híbrida foi relacionada à maior tenacidade à fratura. O compósito híbrido possui uma superfície mais rugosa devido a uma mudança em escala micrométrica da direção da trinca entre as interfaces fibra de carbono/epóxi e fibra de vidro/epóxi. Os agentes de acoplamento grupo silano atua na interação da interface carbono/epóxi/vidro potencializando a resistência a delaminação. O modelo proposto para a taxa de crescimento de delaminação por fadiga em um compósito híbrido foi desenvolvido baseado no fenômeno de formação de ponte de fibras, no qual foi possível gerar um modelo de predição mais realístico, considerando a medição do padrão de microfratura. Os padrões microscópicos formados durante o crescimento da delaminação refletem a taxa de crescimento no nível macroscópico sob carga cíclica. Para finalizar, a aplicação do projeto de processamento intercalado de fibra de carbono/vidro em um laminado híbrido é uma opção viável para aumentar a resistência à delaminação, uma vez que a interface híbrida requer maior energia para propagação do dano, resultando em maior vida em fadiga. Developments in the aeronautical industry have led to the search for materials that meet the mechanical requirements for structural application, aimed at obtaining more efficient structures. Many composites satisfy these requirements, but advanced composites pose challenges, mainly due to the safety coefficient and the empirical and phenomenological models used for mechanical analysis and prediction. Currently, there is a need for novel design approaches to overcome the low interlaminar resistance. The adoption of a carbon/glass fiber hybrid composite is a viable solution, reducing the manufacturing costs and environmental impacts, while allowing an increase in the properties due to synergy between the two reinforcements. The application of hybrid laminates reduces the elastic modulus, due to the contribution of each reinforcement. Also, the absence of interlaminar crack propagation has been observed for laminated composites with more than one type of reinforcement. The aim of this research was to characterize the interlaminar damage progression in hybrid composites (continuous carbon/glass fiber) and develop a crack propagation model, considering the physical fracture mechanisms when more than one type of reinforcement is used. The hybrid laminate showed greater resistance to delamination in modes I and II under quasi-static and cyclic loading compared to non-hybrid laminates. This behavior was confirmed by applying the energy balance method based on physical evidence, in which the high degree of roughness of the hybrid interface was related to greater fracture toughness. The hybrid composite has a rougher surface due to a microscopic change in the crack direction at the carbon fiber/epoxy and glass fiber/epoxy interfaces. Silane coupling agents influence the interaction at the carbon/epoxy/glass interface, enhancing the toughness behavior. The proposed model for the fatigue delamination growth rate of a hybrid composite was developed based on the fiber bridging phenomenon. A more realistic prediction model was obtained by considering the microfracture pattern measurement. The microscopic patterns formed during delamination growth reflect the growth rate at the macroscopic level under cyclic loading. Lastly, the application of the intercalated carbon fiber/glass stacking sequence in a hybrid laminate is a viable approach to increasing the delamination resistance, since the hybrid interface requires more energy for damage propagation, resulting in a longer life under fatigue loading CAPES: 001 FAPESP: 2017/10606-4

Orientador: Marco Lucio Bittencourt Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Nesse trabalho, considera-se a simulação em múltiplas escalas concorrentes, usando a teoria peridinâmica e a elasticidade clássica, para a simulação de problemas de engenharia. Primeiramente a teoria peridinâmica em uma dimensão é estudada em detalhes com o foco na aplicação de condições de contorno de Dirichlet. Problemas de estado plano de tensão em chapas com e sem furo são considerados. É proposto um método de pós-processamento dos resultados de peridinâmica para o cálculo das tensões no material. Em seguida, a peridinâmica discretizada é acoplada ao método dos elementos finitos por meio de dois diferentes programas de computador, um especializado em peridinâmica e o outro em elementos finitos. A modelagem acoplada é usada para prever a formação e a propagação de uma trinca em uma chapa com furo. O fenômeno macroscópico de formação e propagação de trincas é resultado de processos físicos com origem na escala atomística. No entanto, as simulações existentes deste tipo problema são normalmente feitas com abordagens baseadas na teoria do contínuo, como a mecânica da fratura e o dano contínuo, que não consideram aspectos atomísticos do problema. A teoria peridinâmica é uma formulação da mecânica do contínuo em termos de equações integrais, permitindo a solução de problemas que apresentam descontinuidades. Na peridinâmica, trincas se propagam autonomamente como componentes naturais da deformação do material. Há um paralelo entre a formulação peridinâmica e a dinâmica molecular, um método atomístico. Em ambas as abordagens o movimento de uma partícula é encontrado através de um processo de somatório de forças devido às partículas vizinhas. No esquema de simulação em múltiplas escalas concorrentes aqui propostos, a peridinâmica é usada em pequenas porções do domínio onde a falha do material é esperada e a elasticidade clássica, usando o método dos elementos finitos, é utilizada no restante do domínio do problema. Os resultados mostram que a metodologia proposta para cálculo de tensões é satisfatória. A importância da correta imposição de condições de contorno de Dirichlet no domínio de peridinâmica também é destacado (este aspecto é de fundamental relevância para a abordagem acoplada, peridinâmica/elementos finitos). Finalmente, o padrão de propagação da trinca está de acordo com os resultados esperados Abstract: We consider the peridynamic theory and the theory of classical elasticity for concurrent multiscale simulation of engineering problems. First the peridynamic theory in one dimension is studied in details focusing on the application of Dirichlet boundary conditions. Two-dimensional plane stress problems in plates with or without hole are considered. We propose a methodology to post-processing the peridynamics results in order to estimate stresses in the material. Then, the discretized peridynamics is coupled to finite elements by two different computer programs; one specialized in peridynamics and the other in finite elements. The coupled approach is used to estimate the crack formation and propagation in a plate with hole. The macroscopic phenomenon of crack formation and propagation is a result of physical processes with their origin in the atomistic scale. However, computer simulations of this type of problem are usually performed with continuum based approaches, such as fracture mechanics and continuum damage, which do not consider atomistic aspects of the problem. The peridynamic theory is a formulation of continuum mechanics in terms of integral equations allowing the solution of problems with discontinuities. In peridynamics cracks progress autonomously as natural consequence of the material deformation. There is a parallel between the peridynamic formulation and molecular dynamics, an atomistic method. In both approaches the motion of a particle is found by a process of summation of forces due to neighboring particles. In our concurrent multiscale scheme, peridynamics is used in small portions of the domain where material failure is expected and classical elasticity is used for modeling the rest of the problem domain. The results show that the proposed methodology for computing stresses is satisfactory. The importance of correctly imposing Dirichlet boundary conditions in the peridynamic domain is also highlighted (this aspect is of fundamental relevance for the coupled peridynamics/finite element approach). Finally, the pattern of the cracking agrees with the expected results Doutorado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Doutor em Engenharia Mecânica

Orientadores: Paulo Sollero, Eder Lima de Albuquerque Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: O objetivo deste projeto é o desenvolvimento de uma ferramenta computacional para 'a an'alise e projeto de estruturas aeronáuticas trincadas e reparadas por placas de materiais compósitos laminadas coladas. As placas metálicas isotrópicas da estrutura aeronáutica serão modeladas pelo método dos elementos de contorno considerando a presença de tensões de cisalhamento nos planos normais á superfície das placas (formulação de Reissner-Mindlin). No modelamento do reparo será usada uma formula¸c¿ao por elementos de contorno para placas anisotrópicas sem considerar a presençaa de tensões de cisalhamento nos planos normais à superfície da placa (formulação do Kirchhoff-Love). A análise será validada com resultados analíticos, numéricos e experimentais disponíveis na literatura e com modelos desenvolvidos pelo método dos elementos finitos Abstract: The objective of this project is the development of a computational tool for the analysis and design of cracked aeronautical structures repaired by adhesively bonded laminated composites. The isotropic metallic plates of the aeronautical structure will be modeled by the boundary element method considering the presence of shear stresses in planes that are normal to the surface of the plates (formulation of Reisner-Mindlin). In order to model the repair, a boundary element formulation for anisotropic plates will be used neglecting the presence of shear stresses in planes that are normal to the surface of the plate (formulation of Kirchhoff-Love). The analysis will be validated with analytical, numerical and experimental results avalilable in the literature and with finite element models Doutorado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Ettore Bresciani Filho Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Campinas Resumo: Este trabalho tem COIID principal objetivo estudar a conformabilidade na trefilação de fios capilares de ouro. Associando-se os conhecimentos sobre a mecânica da conformação, sobre as propriedades do material e sobre os critérios de fratura dúctil, pode-se estabelecer critérios de conformabilidade. A primeira etapa deste trabalho consistiu no desenvolvimento de equipamentos e dispositivos para a obtenção de fios capilares por trefilação. Na segunda etapa foram estudados os mecanismos de fratura dúctil na trefilação de fios de ouro e foram estabelecidos critérios de conformabilidade. Esses critérios foram aplica dos às condições de processamento adotadas neste trabalho. Algumas sugestões foram feitas visando minimizar a ocorrência de rupturas. Abstract: The main goal of this work is to study workability of u1trafine gold wires in wiredrawing. Putting together the fundamentals of Irechanical plasticity, material properties and ductile fracture criteria , it may be established the workability criteria. The first part of this work involved the development of drawing machines. The second part was the study of the ductile fracture mechanisms of the wires and the establishement of workability criteria , which were applied to the process conditions of this work. Some suggestions were done in order to avoid wire breaks. Doutorado Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Itamar Ferreira Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Este trabalho propõe um modelo para avaliar pontualmente as variações de tenacidade à fratura ao longo da camada cementada de um aço SAE 5115. A pequena espessura dessas camadas impede a retirada de corpos de prova nas dimensões especificadas pelas normas de ensaios de tenacidade à fratura. Assim, para simular uma camada cementada retirou-se corpos de prova de tração e de tenacidade à fratura de amostras de aços SAE 5115, 5140, 5160 e 52100 assumindo a influência local apenas da variação do teor de carbono e considerando que os teores dos demais elementos de liga são essencialmente constantes. Os corpos de prova após eletrodeposição de cobre foram tratados termicamente numa carga industrial de cementação, têmpera e revenimento para serem submetidos aos efeitos térmicos sem absorção de carbono. Os resultados da análise microestrutural, dos ensaios de microdureza, de tração e de tenacidade à fratura foram agrupados em um único gráfico e comparados com o perfil de cementação de peças de aço SAE 5115 tratadas nas mesmas condições. Foi confirmado que a tenacidade à fratura varia inversamente proporcional à microdureza (HV1) e que a previsão do comportamento de uma trinca numa camada cementada pode ser feita por meio de equação ou diagrama que relacionam a miicrodureza HV1 com a tenacidade à fratura (K1c ou CTODc) Abstract: The purpose of this work is to propose a model for evaluating the fracture toughness along the SAE 5115 steel carburized layer. Due to the small thickness of those layers, it is impossible to machine specimens from those layer in accordance with standards. For simulating the microstructures of the carburized layer in order to get samples for tensile and the fracture toughness testing, specimens of SAE 5115, 5140, 5160, and 52100 steels assuming the local influence just of the variation of the content of carbon and considering that the contents of the other alloy elements are essentially constant. The specimens after electroplated copper layer were heat treated in an industrialload of carburizing, quenching, and tempering for they be submitted to the thermal effects without absorption of carbono The results of the microstructure analysis and microhardness, tension, and fracture toughness tests were placed in a single graph and compared with the profile of the carburizing of the steel SAE 5115 heat treated in the same conditions. It was confirmed that the fracture toughness varies inversely proportional to the microhardness (HV1) and that the forecast of the behavior of a crack in a carburized layer can be made through equation or it designs that relate the microhardness (HV1) with the fracture toughness (KIC or CTODc) Mestrado Materiais e Processos de Fabricação Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Leandro Palermo Junior Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo Resumo: Este trabalho apresenta uma análise numérica pelo Método dos Elementos de Contorno Dual (MEC Dual), da propagação de fraturas em modelos coesivos bidimensionais. O método emprega a equação integral de contorno de forças de superfície em conjunto com a equação integral de contorno de deslocamentos, na região da fissura. O modelo de fissura fictícia é adotado no sentido de simular numericamente as forças atrativas na região de descontinuidade. A propagação da fissura na direção perpendicular à tensão principal máxima ocorre quando a tensão na ponta da fissura fictícia excede a máxima tensão resistente à tração do concreto. O fenômeno de amolecimento do concreto será tratado com as leis constitutivas do tipo linear e adotando uma ou duas retas para a curva tensão-abertura da fissura na fase de amolecimento. O modo I de abertura de fissura é estudado com uma viga de concreto solicitada à flexão em três pontos. O operador diferencial tangente é empregado no núcleo da hipersingular da equação integral de forças de superfície do MEC Dual para reduzir a singularidade e é avaliada a eficiência do uso de elementos quadráticos contínuos ao longo da fissura. Os exemplos numéricos para a análise da fissura coesiva são comparados a resultados da literatura, os quais foram retratados através de ensaios experimentais e numéricos. Os resultados obtidos evidenciam a eficiência da formulação proposta, corroborando aos estudos de problemas em fissuras em materiais quase frágeis Abstract: A numerical implementation of the Dual Boundary Element Method, for the analysis of twodimensional crack problems in cohesive materials is presented. The dual equations of the method are the displacement and the traction boundary integral equations, while the displacement equation is applied on one of the crack surfaces and the traction equation on the other. The fictitious crack model is used to simulate the fracture zone with forces acting on crack surface. When the force at the fictitious crack tip exceeds the maximum tensile strength of the concrete, the crack will propagate in the direction perpendicular to the principal stress. During the fracture process, the softening constitutive law for stress-crack opening displacement curve is linear with one or two straight lines. Three-point bending specimens were used to check the numerical results for crack opening mode I. The tangent operator technique is introduced in the hyper-singular kernel of the traction integral equation to reduce the order of the singularity, so the efficiency of continuous quadratic elements along the crack is analyzed. The numerical examples for cohesive crack are compared with those in the literature, which specimens were used in experimental and numerical studies. Obtained results evidenced the efficiency of the proposed formulation, collaborating to the study of crack problems in quasi-brittle materials Mestrado Estruturas e Geotécnica Mestra em Engenharia Civil

Orientador : Itamar Ferreira Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: O aço liga 2,25Cr-1Mo, muito utilizado em aplicações em altas temperaturas, quando exposto à faixa de 343°C a 593°C por longo tempo, pode apresentar susceptibilidade a fragilização pelo revenido. Apesar de bom comportamento em elevadas temperaturas, há grandes riscos de acidente depois da fragilização, em situações de partida e parada de unidades petroquímicas, quando este aço pode apresentar perda significativa da tenacidade devido a fragilização pelo revenido. Este trabalho estudou a tenacidade à fratura (CTODm), na temperatura ambiente, em juntas soldadas deste aço, fragilizadas através de "Step Cooling" com e sem tensão, que consiste em expor o aço a um conjunto de patamares de temperaturas por tempos determinados, intercalados com taxas de resfriamento fixas na redução da temperatura, na faixa de temperatura em que há susceptibilidade à fragilização pelo revenido, nas regiões de grãos grosseiros (GGZAC) e de grãos fmos da ZAC (GFZAC). Resultados de medições de dureza e observação microestrutural do crescimento de carbetos comprovaram que o uso da tensão associada ao "Step Cooling" acelerou a fragilização, melhorando a eficácia deste processo. Resultados indicaram que o controle do teor de impurezas do aço utilizado evitou o desenvolvimento da fragilização pelo revenido, o que foi confirmado pelos ensaios de tenacidade à fratura realizados em temperatura ambiente. Não foi detectada variação significativa dos valores de CTODm entre as três situações analisadas (sem "Step Cooling", com "Step Cooling" sem tensão e com "Step Cooling" com tensão de 138,6 MPa) e entre as diferentes regiões microestruturais analisadas (GFZAC e GGZAC). Observações no Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) indicaram que o mecanismo de fratura presente após a simulação de fragilização foi o coalescimento de microcavidades Abstract: Low alloy 21/4Cr-1Mo steel, often used at high temperature applications, when exposed to temperatures at the range from 650°F to 1100°F (343°C to 593°C) for a long time may be susceptible to temper embrittlement. Despite having good behavior at high temperatures, there is a great hazard of accident after temper embrittlement, during start up or shut down of petrochemical plants, when this steel may have a great decrease in its toughness. This work studied fracture toughness (CTODm) at room temperature, in welded joints of this steel, embrittled by "Step Cooling" with and without tensile stress, that consists in submiting the steel to a group of steps of temperatures for certain periods of time, alternated with fixed cooling rates to reduce the temperature of the steps, in the range of temperature were temper embrittlement occurs, at coarse grain (CGHAZ) and fine grain regions of heat affected zone (FGHAZ). Hardness results and microstructural analysis of carbide coarsening proved that the use of stress associated with the "Step Cooling" accelerated the embrittlement, making the efficacy of this process better. Experimental results showed that the control of impurities content in the steel avoids the development of temper embrittlement. This was confirmed by fracture toughness experiments at room temperature. No significant variation on CTODm results of the three different situations (without "Step Cooling", with "Step Cooling" without stress and with "Step Cooling" with stress of 138,6MPa) and of the different microstructural tested regions (CGHAZ and FGHAZ) were observed. Scanning Electron Microscope (SEM) analysis indicated that fracture mechanism after embrittlement simulation was microvoids coalescence Mestrado Mecânica da Fratura Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Carlos Henrique Daros Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Duas formulações do Método dos Elementos de Contorno baseadas em força de superfície e deslocamento são apresentadas para problemas contendo trinca em modo III (cisalhamento anti-plano) em meio anisotrópico e exponencialmente não-homogêneo. As equações integrais de contorno são singulares fortes e são avaliados usando o Shifted Point Method (SPM). O elemento de contorno contento a ponta da trinca é descrito através de um elemento especial chamado de quarter-point. As três principais configurações de trinca, trinca central, trinca inclinada e trinca no contorno são estudadas para determinar o fator de intensidade de tensão ( SIF). Todos os problemas são simulados usando programas desenvolvidos em MATLAB®, baseados em elementos de contorno quadráticos, isoparamétricos e contínuos com SPM. Resultados para o caso homogêneo e isotrópico são comparados com soluções disponíveis na literatura, mostrando bons resultados. Para o caso de não-homogeneidade exponencial, resultados numéricos são obtidos para meios fracamente rígidos e meios suaves Abstract: A surface force and displacement based Boundary Element Method (BEM) formulation are presented for the mode III crack problem in exponentially nonhomogeneous anisotropic media. The surface force Boundary Integral Equation (BIE) is strong singular and it is evaluated using the Shifted Point Method (SPM). The boundary element containing the tip of the crack is described by means of a special element called the quarter point. The three main crack configurations, central crack, central slant crack, and edge crack are studied to determine the stress intensity factors (SIF). All problems were simulated using programs developed in MATLAB®, based on quadratic isoparametric continuous boundary elements with SPM. Results for the homogeneous and isotropic case are compared with available solutions in the literature, showing good results. For the case of exponential nonhomogeneity, numerical results are obtained for weakly stiffer media and for softer media Mestrado Mestre em Engenharia Mecânica CAPES 33003017

Orientador: Jose Maria Campos dos Santos Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Neste trabalho apresenta-se um elemento finito contendo uma trinca na região central, o qual permite simular o comportamento dinâmico para qualquer comprimento de trinca. O elemento simula o comportamento de uma viga de seção retangular sujeita a esforços de flexão e axiais com três graus de liberdade por nó e incorpora os efeitos de cisalhamento e zona plástica na ponta da trinca. O modelo foi implementado em ambiente MATLAB e os resultados de simulações numéricas são comparados com os valores disponíveis na literatura. Os valores numéricos são comparados também com os das análises modais experimentais realizados com vigas de seção retangular contendo diferentes comprimentos de trinca. Os resultados obtidos mostram uma boa concordância entre os modelos numéricos e experimentais, revelando que o modelo desenvolvido pode contribuir para a previsão de falha estrutural devido à existência de trincas Abstract: This investigation describes a beam finite element with crack in central region, for the numerical analysis of the dynamic behavior for any crack length. The element simulates the dynamic behavior of a rectangular section beam with three degree of freedom per node and includes the shear effects and plastic zone at crack tip. The model was implemented in MATLAB environment and it was validated comparing the numerical simulations with results available in the literature. The simulated results are also compared with an experiment performed with rectangular section beams containing different crack length. A modal experimental analysis was performed and it was obtained the experimental modal data, which was compared with values from numeric simulation. The results obtained shown a good agreement between the numeric and experimental model results, which contributes to progress of structural failure prediction due the presence of cracks Mestrado Mecânica dos Sólidos Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Renato Pavanello Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: O propósito deste trabalho é utilizar o método de elementos finitos para desenvolver um programa capaz de calcular os parâmetros de fratura envolvidos na verificação da estabilidade de trincas, e de simular sua propagação, para problemas de mecânica da fratura elástica linear bidimensional. Para isto, verifica-se o comportamento frente aos modos I e misto de fratura de elementos singulares e métodos de cálculos dos parâmetros de fratura, atualmente existentes na literatura. Além disso, cria-se dentro do programa Ansys, um gerador de malha, que permite simular o caminho percorrido pela trinca, durante a fase de propagação, interagindo com o programa desenvolvido pelo autor e as técnicas implementadas são validadas em comparações com exemplos teóricos e práticos Abstract: The purpose of this work is to apply the finite element method to develop a computer program capable of determining the fracture parameters involved in crack stability and simulate its propagation according to two-dimensional linear elastic fracture mechanics. The behavior of singular elements and methods to determine the fracture parameters existent nowadays is verified in face to mode I and mixed mode. Besides, a mesh generator is created inside of ANSYS program, that permits the simulation of the crack path, during the propagation process, working together with author's program. The implemented techniques are validated by comparison among theoretical and practical examples Mestrado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Jose Luiz Antunes O. e Sousa Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil Resumo: Neste trabalho desenvolveu-se uma metodologia para a detenninação da tenacidade ao fraturamento (K1c)do material concreto, através de ensaio de tração com velocidade controlada em corpos de prova do tipo "short-rod", baseando-se em recomendações da ISRM. No decorrer do trabalho, elaboraram-se projetos de fôrmas para confecção dos corpos de prova, assim como um procedimento para cura e desforma dos mesmos, além de um sistema de aplicação de carga para simular o fraturamento no modo I. Foram ensaiados 72 corpos de prova do tipo "short-rod" para a detenninação de K1c,em quatro grupos de 18 corpos de prova, com distintos traços de concreto variando-se a resistência e tamanho dos agregados graúdos. Cada grupo foi dividido em três partes iguais, ensaiadas em idades diferentes. Simultaneamente ensaiaram-se corpos de prova cilíndricos para a detenninação da resistência à compressão e a resistência à tração. A metodologia adotada se mostrou adequada para a detenninação da tenacidade ao fraturamento do concreto. Os resultados obtidos indicaram dependência da tenacidade ao fraturamento em relação ao tamanho do agregado graúdo, à resistência à compressão e à idade do concreto Mestrado Estruturas

Orientador: Paulo Sollero Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Neste trabalho é apresentada uma análise, através do uso do método dos elementos de contorno, de problemas dinâmicos em materiais anisotrópicos. Uma formulação de elementos de contorno é desenvolvida usando soluções fundamentais para elasto-estática e as integrais de domínio, provenientes dos termos de inércia, são transformados em integrais de contorno usando o método dos elementos de contorno de reciprocidade dual. A formulação desenvolvida é aplicada no cálculo de campos de tensões e deslocamentos de discos rotativos, na análise modal de estruturas ortotrópicas e na análise de chapas anisotrópicas e estruturas de materiais compósitos laminados submetidas a cargas dependentes do tempo. Também são estudados problemas com trinca nos quais utilizam-se o método das sub-regiões e também o método dos elementos de contorno dual. Os fatores dinâmicos de intensidade de tensão são calculados usando elementos de ponto a um quarto com singularidade de forças de superfícies e também elementos quadráticos descontínuos. Na análise de problemas transientes são utilizadas integração direta no tempo e também o cálculo no domínio de Laplace com posterior inversão para o domínio do tempo. É analisada a influência dos nós internos e da malha na precisão dos resultados. Nos problemas transientes é também mostrada a influência do tamanho dos passos de tempo e do número de parâmetros de Laplace na redução do amortecimento numérico. Os resultados numéricos são apresentados para problemas quase-isotrópicos, ortotrópicos e totalmente anisotrópico. Os resultados são comparados com resultados presentes na literatura e mostram boa concordância. Novos problemas são propostos e analisados Abstract: This work presents an analysis of dynamic anisotropic problems using the boundary element method. A boundary element formulation is developed using elastostatic fundamental solutions and the domain integraIs, which come from the inertial terms, are transformed into boundary integrals using the dual reciprocity boundary element method. The developed formulation is applied to the computation of displacement and stress fields in orthotropic rotating discs, to modal analysis of orthotropic structures, and to the analysis of anisotropic and composite laminate plate under time dependent loads. Furthermore, crack problems are treated using either the sub-region method or the dual boundary element method. The dynamic stress intensity factors are computed using traction singular quarter point elements as well as discontinuous quadratic elements. In the analysis of transient problems, direct time integration and Laplace transformation are carried out. The numerical results are presented to quasi-isotropic, orthotropic and anisotropic problems. It is analysed the influence of internal nodes and meshes in the accuracy of results. In transient problems, the influences of the size of time step and number of Laplace parameters are analysed taking into account the reduction of numerical dumping. The results are compared with other results from literature showing good agreement. New problems are proposed and analysed. Doutorado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Itamar Ferreira Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: O ensaio Charpy clássico, utilizado desde o início do século XX, permite determinar a energia global de fratura, propriedade mecânica conhecida como tenacidade. Esta energia tem caráter qualitativo e na aplicação no projeto estrutural, reduz-se a comparações entre as curvas de transição dúctil-frágil dos materiais. Com o surgimento da instrumentação do ensaio Charpy clássico é possível determinar a propriedade mecânica, tenacidade à fratura dinâmica, KId, muito utilizada na Mecânica de Fratura. O objetivo deste trabalho é analisar o sistema de instrumentação desenvolvido de acordo com a normatização ISO 14556(2000) para uma máquina de ensaio Charpy clássico, determinar e avaliar a tenacidade à fratura dinâmica, a partir do ensaio Charpy instrumentado, do aço AISI 4340 sob várias condições metalúrgicas obtidas através de tratamentos térmicos de têmpera e revenimento nas temperaturas de 473K, 573K, 673K e 773K. Foi observado que o sistema de instrumentação da máquina, a interpretação dos resultados dos esforços envolvidos no processo de fratura e o tempo para fratura são parâmetros de influência na determinação da tenacidade à fratura dinâmica. Abstract: The classical Charpy test is used since 1900 and it is possible to determine from it the global energy for deformation and fracturing the specimen and this energy is named toughness which is important for selection steels considering ductile-brittle transition temperature. The Instrumented Charpy test is very important because it produces more material parameters, for example, the dynamic fracture toughness (KId), that can be used in Fracture Mechanics. However, there are several difficulties associated with the instrumentation of the impact machine ant processing digital signal, mainly in terms of the interpretation instrumented impact test results. The purpose of this work is to analyze the instrumentation system developed in accordance with normalization ISO 14556 (2000) to an Charpy machine and to determine and analyze the dynamic fracture toughness of the AISI 4340 steel in some metallurgical conditions obtained from treatment of quenching and tempering at 473K, 573K, 673K, and 773K. It was observed that the instrumentation system, the interpretation of the loads involved in the process of fracture and time to fracture are significant parameters in determining the dynamic fracture toughness. Doutorado Materiais e Processos de Fabricação Doutor em Engenharia Mecânica

Orientadores: Paulo Roberto Mei, Antonio Jose Ramirez Londono Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Novas aplicações dos processos de soldagem têm sido estudadas ao redor do mundo para reduzir custos e aumentar a produtividade. O processo de soldagem por atrito com pino não consumível (SAPNC) é um candidato promissor para uso na construção de dutos de transporte de óleo e gás. Portanto, é de grande importância determinar a tenacidade em baixas temperaturas de juntas soldadas por este processo para se estabelecer os limites desta tecnologia. Por esta razão, o foco deste trabalho foi o de correlacionar a tenacidade com a microestrutura de juntas soldadas por SAPNC em um aço usado na construção de dutos (API-5L-X80). No presente estudo, parâmetros otimizados (HERMENEGILDO, 2012) de soldagem SAPNC foram usados para produzir juntas em chapas de 9,5 e 15 mm de espessura, usando uma ferramenta de PCBN-WRe com velocidade de rotação de 300 rev min-1 e deslocamento de 100 mm min-1. As juntas obtidas foram de boa qualidade e não apresentaram defeitos superficiais. A microestrutura anteriormente à soldagem (MB = Metal Base) constituída por uma matriz homogênea de ferrita em formato de panqueca, evoluiu para pacotes de bainita com placas retas e irregulares, bainita granular e ferrita acicular na Zona Misturada (ZM) e na Zona de Alta Dureza (ZAD) e para ferrita quase poligonal na Zona Termicamente Afetada (ZTA). Ensaios de deslocamento da abertura da ponta da trinca (CTOD) realizados em distintos pontos da região soldada (MB, ZTA, ZM e ZAD) forneceram valores superiores a 0,1 mm para temperaturas de até -20 ºC, indicando que este processo é adequado para a soldagem de tubos de aços API-5L-X80 usados no transporte de óleo e gás no Brasil, visto que as menores temperaturas em que ocorre a extração de petróleo ficam em torno de 3 ºC em águas com profundidade de 2.000 metros. A Temperatura de Transição Dúctil-Frágil (TTDF) obtida no ensaio Charpy com corpos de prova tipo KLST ficou em torno de -100 ºC no MB e na ZTA e de -60 ºC na ZM e na ZAD, corroborando os dados obtidos no CTOD Abstract: Alternative steel welding processes with improved productivity while still producing sound joints have been studied around the world in recent decades. Among these processes, friction stir welding (FSW) is a promising candidate for use in pipeline construction. However, it is of paramount importance to determine the toughness at low temperatures in order to establish the limits of this technology. Therefore, this study focuses on the relationship between experimental toughness estimation, welding parameters, and microstructure in FSW weldments in a pipeline steel (API-5L-X80). In the present study, optimized welding parameters (HERMENEGILDO, 2012) were used to produce two-pass FSW joints in 9.5 mm and 15 thick plates, using PCBN-WRe tools rotating at 300 rev min-1 and translating at 100 mm min-1. Sound and high quality welded joints were produced. The base material (BM) microstructure was composed by a ferrite matrix with package shape grains. After welding, the microstructure changed into bainite packets with irregular and straight ferrite plates, granular bainite and acicular ferrite in the stirred (SZ) and hard zone (HZ); while the heat affected zone (HAZ) presented quasi-polygonal ferrite. Crack tip opening displacement (CTOD) tests of several regions within the welded joint (BM, HAZ, SZ and HZ) provided results above 0.1 mm at -20 ºC. The results indicate that FSW provides satisfactory welded joints in the API-5L-X80 steel used for oil and gas transportation in Brazil, where the lowest temperatures for oil extraction in 2000 m below sea level is 3 ºC (SILVA, 2006). The ductile-to-brittle transition temperature (DBTT) found at the Charpy testing in KLST samples for the base material and heat affected zone were below -100 °C; conversely, for the stirred and hard zone it was located around -60 °C, which corroborated with CTOD results Doutorado Materiais e Processos de Fabricação Doutor em Engenharia Mecânica

Dissertação (mestrado) — Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2021. Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq). Este trabalho tem como objetivo avaliar diferentes metodologias de análise de mecânica da fratura por métodos de elementos finitos, utilizando o software de simulação ABAQUS, em especial o método dos elementos finitos estendidos, pois este método, devido a suas características relacionadas ao enriquecimento do espaço analisado, permite que se faça um estudo de propagação de trincas sem a necessidade de uma atualização no estado da malha a cada avanço de trinca. O estudo foi realizado em três etapas: a primeira comparando resultados analíticos, acerca do fator de intensidade de tensão, e experimentais presentes na literatura com os resultados obtidos por meio de um método convencional, ou seja, sem a presença de enriquecimento, de elementos finitos, o método do domínio integral de energia, onde se obteve erros relativos variando entre 2 % e 20 %, e o método dos elementos finitos estendidos, onde os erros relativos variam entre 2 % e 12 %. Após a avaliação do fator de intensidade de tensão, a segunda etapa consiste em utilizar o método dos elementos finitos estendidos para analisar a trajetória de trinca. E a terceira etapa consiste em analisar o aumento do tamanho da trinca em regime de fadiga. A segunda e terceira etapa apresentaram erros relativos menores que 12 %. This work aims to evaluate different fracture mechanics analysis methodologies using finite element methods, using the ABAQUS simulation software, in particular the extended finite element method, because this method, due to its characteristics related to the enrichment of the analyzed space, allows a crack propagation study without the need to update the mesh status in each crack advance. The study was performed in three phases: the first one comparing analytical and experimental results, about the stress intensity factor, present in the literature, with the results obtained by a conventional method, in other words, without enrichment, the energy integral domain, where relative errors obtained vary between 2 % and 20 %, and the extended finite element method, where relative errors obtained vary between 2 % and 12 %; after the evaluation of the stress intensity factor, the second phase consists in using the finite element method for analyze the crack trajectory; and the third phase consists in analyze the increase in the size of the crack under fatigue regime. The second and the third phase presents relative errors under 12 %.

Tese (doutorado) — Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2021. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES). Neste trabalho foram avaliados o comportamento à fadiga, a fratura e a superfície factrográfica dos corpos de prova fabricados a partir de fios da liga de alumínio 6201 (Al-Mg- Si), que são utilizados para a fabricação do cabo condutor CAL 900 MCM, com diferentes tratamentos térmicos - T4, T6 e T81 - que variaram diferentes temperaturas de solubilização (470 °C, 490 °C, 510 °C, 530 °C e 550 °C), tipos de envelhecimento (artificial e natural) e diferentes tempos de envelhecimento (4 h, 8 h, 12 h, 16 h, 20 h e 24 h para o envelhecimento artificial e 1500 h e 3000 h para o envelhecimento natural). Neste sentido foi desenvolvido um vasto programa experimental para a obtenção dos diagramas S-N (previsão de vida) dos corpos de prova comparando a vida em fadiga, os tipos de fratura e características das superfícies das quebras para os diferentes tratamentos térmicos. Os resultados mostraram que as temperaturas de solubilização de 510 °C, 530 °C e 550 °C apresentaram os melhores resultados de microdureza, e que aumentavam com o acréscimo do tempo de envelhecimento, levando ao aumento da resistência mecânica e da vida em fadiga dos corpos de prova. Com base nos resultados obtidos para os envelhecimentos natural e artificial, verificou-se que quanto maior o tempo de envelhecimento as propriedades mecânicas de dureza e limite de resistência à tração aumentavam, mostrando que os precipitados endurecedores da liga atuam de maneira eficiente para o travamento, ou dificultam, do movimento das discordâncias, inferindo que as partículas endurecedoras da liga têm papel fundamental no aumento da resistência a fadiga e das propriedades mecânicas estáticas do material. Por outro lado, as análises das fraturas não apresentaram grandes diferenças entre os corpos de prova analisados, onde todos apresentaram dimples (característica de uma fratura dúctil) equiaxiais, no sentido da maior tensão, região de propagação macroscópica da trinca e as trincas tendo seu início próximas a superfície. Apesar dos valores de dureza para os corpos de prova tratados com S550A20 e S550A24 (T6) serem semelhantes a dureza obtida nos corpos de prova dos fios como recebido – (tratamento T81), a vida em fadiga entre eles se mostrou bem diferente, inferindo que a etapa de conformação mecânica (trefilação) sofrida por estes fios desempenha papel fundamental no aumento da vida à fadiga dos corpos de prova. In this research work, the fatigue behavior, fracture and factography surface of specimens manufactured from aluminum alloy 6201 wires (Al-Mg-Si), which are used for the production of the conductor cable AAAC 900 MCM, were evaluated with different heat treatments - T4, T6 e T81 - ranging from different solubilization temperatures (470 °C, 490 °C, 510 °C, 530 °C and 550 °C), aging types (artificial and natural) and different aging times (4h, 8h, 12h, 16h 20h and 24h for the artificial aging and 1500h and 3000h for natural aging). In this sense, a vast experimental program was developed in order to obtain S-N diagrams (life prediction) of specimens comparing fatigue life, types of fracture and characteristics of the crack surfaces for different heat treatments. The results showed that the solubilization temperatures of 510 °C, 530 °C and 550 °C showed the best microhardness results, and that they increased with increasing aging time, leading to increased mechanical resistance and fatigue life of specimens. Based on the results obtained for natural and artificial aging, it was found that the longer the aging time, the mechanical properties of microhardness and tensile strength limit increased, showing that the alloy's hardening precipitates act efficiently to lock, or hinder the movement of dislocations, inferring that the alloy's hardening particles had a fundamental role in increasing the fatigue resistance and static mechanical properties of the material. On the other hand, the fracture analyses did not show any great differences between the specimens, where all of them presented equiaxial dimples (characteristics of a ductile fracture), in the direction of the greatest tension, macroscopic crack propagation region and the cracks having their beginning underneath the surface. Despite the microhardness values for the specimens treated with S550A20 and S550A24 (T6) being practically similar to the hardness obtained in the specimens of the wires as received - T81 treatment -, the fatigue life between them proved to be quite different, leading to the belief that the mechanical forming (drawing) undergone by these wires plays a fundamental role in increasing the specimens’ fatigue life.

Orientador: Paulo Sollero Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: O objetivo deste trabalho é desenvolver uma ferramenta computacional para a análise dinâmica de chapas trincadas com reparos de material compósito colados. O método numérico a ser empregado para a modelagem do problema de mecânica da fratura da chapa, é o Método Dual de Elementos de Contorno (DMEC), que permite modelar a chapa em uma única região aplicando uma equação integral de deslocamentos em uma das faces da trinca, e uma equação integral de forças de superfície na outra face da trinca. As forças de corpo devido às massas da chapa e do reparo sob solicitação dinâmica serão modeladas através da técnica do Método de Dupla Reciprocidade de Elementos de Contorno (DRMEC), que permite a utilização de soluções fundamentais da elastoestática para a análise de problemas da elastodinâmica. O acoplamento entre a chapa metálica isotrópica e a chapa de laminado compósito anisotrópico, será modelado pela técnica do DRMEC para a análise de esforços devidos ao cisalhamento no adesivo. A tensão de cisalhamento no adesivo será calculada pela diferença de deslocamentos entre a chapa metálica e o compósito. Os efeitos dinâmicos de intensidade de tensão serão calculados por técnicas baseadas no deslocamento relativo das faces da trinca e por integrais de energia de domínio (EDI) Abstract: The aim of this paper is to present the formulation and matrix implementation of a dynamic analysis of cracked sheets repaired with adhesively bonded composite patches. The numerical method that is used for modelling the problem of fracture mechanics is the dual boundary elements method (DBEM), which allows the modelling of a cracked sheet in a single region. This method uses a displacement integral equation in one of the sides of the crack surface and a traction integral equation in the other side of the crack surface. The body forces, due to the inertial effects of the sheet and the repair, and the interaction effect between the sheet and the anisotropic patch, are modelled using the dual reciprocity boundary elements method (DRBEM) technique, which allows the use of fundamental solutions from the elastostatics into problems of elastodynamics. The coupling between the isotropic metallic sheet and the anisotropic composite repair is modelled by the DBEM technique, in order to obtain the shear stress distribution in the adhesive layer. The shear stresses in the adhesive layer are obtained by the difference of nodal displacements between the sheet and the repair. The dynamic effects on the stress intensity factors are calculated by techniques based on the relative displacement of the crack faces and energy domain integration (EDI) Mestrado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Paulo Sollero Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Este trabalho apresenta uma ferramenta para modelar a propagação de múltiplas trincas por fadiga em modo misto para materiais isotrópicos, utilizando o Método dos Elementos de Contorno Dual. Este método é utilizado para realizar uma análise de tensões e deformações no sólido, de modo a proporcionar resultados confiáveis para o campo elástico na região ao redor da trinca. À partir destes resultados, os fatores de intensidade de tensão são obtidos utilizando-se a técnica da Integral J, realizando-se o desacoplamento dos modos através da decomposição do campo elástico em seus componentes simétricos e anti-simétricos. Os fatores de intensidade de tensão são utilizados para calcular o ângulo de propagação e tamanho de incremento pelo método da Mínima Densidade de Energia de Deformação. A vida em fadiga é obtida pela integração direta da expressão da Lei de Paris, modificada pelo modelo de fechamento de trinca. O algoritmo é validado com resultados experimentais para dois problemas envolvendo fratura em modo misto e fadiga. Em ambos os testes, foi utilizada a técnica de Correlação de Imagens Digitais para monitorar a propagação das trincas por fadiga e técnicas de processamento de imagens foram empregadas para analisar os resultados Abstract: This work presents a tool to model problems of multiple site fatigue crack propagation in isotropic materials under mixed mode conditions, using the dual boundary element method. This method is used to make an analysis of tensions and deformations in the solid, providing reliable results for the elastic field in the region near the crack tip. The stress intensity factors are obtained using the J-integral technique and they are decoupled with a procedure based on the decomposition of the elastic field into its symmetric and anti-symmetric components. The crack propagation angle and the increment size are calculated through the minimum strain energy density criterion. The fatigue life is obtained through the integration of the Paris law expression modified by the crack closure model. The validation of the algorithm is made with experimental results for two mixed mode fracture problems with fatigue. In both cases, the digital image correlation technique was used to monitor the fatigue crack propagation during the tests and digital image processing techniques were used to analyze the result Mestrado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Renato Pavanello Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Inúmeros trabalhos de pesquisa tem sido feitos em torno de um processo de soldagem por atrito conhecido por FSW, ou Friction Stir Welding. A proposta deste trabalho é determinar o efeito das tensões residuais resultantes de tal processo sobre a propagação de trincas na região próxima à junta soldada. Este efeito é considerado calculando-se fatores de intensidade de tensão residual pelo uso de funções ponderadoras e pelo método de elementos finitos. Técnicas numéricas e equações de taxa de propagação modificadas são empregadas para determinar a vida residual em fadiga de sólidos com trincas que atravessam transversalmente a região da solda. É abordado e aplicado um meio de determinar uma curva de tensão residual longitudinal a partir de uma curva de fatores de intensidade de tensão residual. Finalmente, o ensaio cut compliance é apresentado como uma técnica experimental eficaz na determinação de uma curva de fatores de intensidade de tensão residual. A aplicação de tal método exige o conhecimento prévio ou o cálculo de funções de influência. Demonstra-se que o método de elementos finitos é eficaz na determinação de tais funções Abstract: Numerous research papers have been published on a process known as friction stir welding or FSW. The purpose of this work is to determine the effect of residual stresses resulting from such process on the propagation of a crack near the weld. This effect is taken into account by calculating residual stress intensity factors using weight functions and finite elements. Numerical techniques and crack propagation rate equations are employed to determine residual fatigue life of solids with cracks that traverse across the weld region. A way to determine a longitudinal residual stress curve from a residual stress intensity factor curve is discussed and applied in this work. Finally, the cut compliance method is presented as an effective experimental technique to determine residual stress intensity factor curves. The application of such method requires calculation of influence functions. It is shown that the finite element method is effective in determining those functions Mestrado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica

Tese (Doutorado)—Universidade de Brasília, Programa de Pós-Graduação em Estruturas e Construção Civil, Faculdade de Tecnologia, 2021. Esta pesquisa trata da otimização meta-heurística multiobjetivo dos parâmetros de discretização do método sem malha local, para a solução de problemas bidimensionais da elasticidade linear e da mecânica da fratura linear elástica. Para uma discretização nodal, o método sem malha local usa um processo nó a nó para gerar o sistema global das equações de equilíbrio; no domínio local de cada nó, as respectivas equações de equilíbrio são geradas com uma integração numérica reduzida e usadas como base da formulação do método numérico. A aplicação do método numérico local, para cada nó da discretização, requer o uso de dois parâmetros arbitrários que especificam o tamanho do suporte compacto e do domínio local de integração, cujos valores dependem do modelo estudado. A determinação desses parâmetros deve ocorrer dentro de certos limites, encontrados na literatura, para que não causem singularidades na solução numérica. Ao encontro disso, a popularidade dos algoritmos meta-heurísticos pode ser atribuída às suas excelentes características, como: a habilidade de otimizar problemas não suaves, não convexos, multimodais e altamente não lineares; além de simplicidade, flexibilidade e eficiência. Tais vantagens os fazem versáteis para lidarem com uma grande gama de problemas de otimização. Aqui, uma nova abordagem, com algoritmos meta-heurísticos multiobjetivo (NSGA-II, NSGA-III, CMAES, MOEA/D, IBEA, Epsilon-MOEA, SPEA2, GDE3, OMOPSO e SMPSO), já consagrados na comunidade científica, será utilizada na otimização dos parâmetros arbitrários do método sem malha local aplicado na solução de problemas da elasticidade linear e da mecânica da fratura linear elástica. Onde, o desempenho de cada algoritmo utilizado será mensurado a partir das métricas de performance (hipervolume, distância geracional, distância geracional invertida, indicador ε+ e espaçamento) normalmente empregadas na avaliação dos algoritmos multiobjetivo. No final, um ranking de performance mostrará a adequação de cada algoritmo na otimização dos modelos/exemplos abordados. A influência da densidade nodal e do tipo (se regular ou randômica) da discretização do domínio, nos resultados da otimização dos modelos, também será avaliada. This research deals with multiobjective metaheuristic optimization of the discretization parameters of the local mesh free numerical method, to solve two-dimensional problems of linear elasticity and linear elastic fracture mechanics. For a nodal discretization, the local mesh free method uses a node-by-node process to generate the global system of equilibrium equations; in the local domain of each node, the respective equilibrium equations are generated with a reduced numerical integration and used as the formulation basis of the numerical method. The application of the local numerical method, for each node of discretization, requires the use of two arbitrary parameters that specify the size of the compact support and the local integration domain, whose values depend on the model studied. The determination of these parameters must occur within certain limits, found in the literature, such that they do not cause singularities in the numerical solution. In this context, the popularity of metaheuristic algorithms can be attributed to their excellent characteristics, such as: the ability to optimize non-smooth, non-convex, multimodal and highly non-linear problems; in addition to simplicity, flexibility and efficiency. These advantages make them versatile to deal with a wide range of optimization problems. Here, a new approach, with multiobjective metaheuristic algorithms (NSGA-II, NSGA-III, CMAES, MOEA/D, IBEA, Epsilon-MOEA, SPEA2, GDE3, OMOPSO e SMPSO), already well stablished in the scientific community, will be used in the optimization of the arbitrary parameters of the local mesh free numerical method applied to solve linear elasticity and linear elastic fracture mechanics problems. Where, the performance of each algorithm will be measured from the performance metrics (hypervolume, generational distance, inverted generational distance, ε+ indicator and spacing) normally used in the multiobjective algorithms evaluation. In the end, a performance ranking will show the suitability of each algorithm in optimizing the models/examples covered. The influence of nodal density and the type (whether regular or random) of the domain discretization, on the models optimization results, will be assessed too.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2021. Este trabalho apresenta uma implementação numérica do problema de escoamento em um meio poroso e no interior de uma fratura hidráulica, assim como a troca de fluido entre os dois domínios. O Método dos Volumes Finitos e o Método dos Volumes Finitos baseado em Elementos são utilizados para a obtenção das equações discretizadas do modelo matemático. É desenvolvido um método de acoplamento para modelar o escoamento entre a fratura e a rocha. Dois modelos distintos para o escoamento na fratura são comparados em termos da acurácia da solução e de seu custo computacional. O primeiro modelo se baseia na solução analítica de Poiseuille para placas planas, tradicionalmente utilizado na literatura, e o segundo modelo, proposto pelo autor, se baseia nas equações de Navier-Stokes. Os resultados obtidos para essa comparação indicam que o uso do modelo de Poiseuille é vantajoso para os problemas usuais de fraturamento hidráulico, com um valor de diferença percentual relativa entre os modelos de aproximadamente 0,1% para um número de Reynolds na entrada na ordem de dez elevado a quinta e com um tempo de computação médio 50% menor para a solução do modelo de Poiseuille. Resultados são mostrados para problemas diversos envolvendo fraturas, com o intuito de discutir e explorar os fenômenos físicos e a implementação numérica desenvolvida. Abstract: This work presents a numerical implementation of the problem of flow in a porous medium and inside a hydraulic fracture, as well as the fluid exchange between the two domains. The Finite Volume Method and the Element-based Finite Volume Method are employed to obtain the discretized equations of the mathematical model. A coupling method is developed to model the flow between the fracture and the rock. Two distinct models for fracture flow are developed and compared in terms of the accuracy of the solution and its computational cost. The first model is based on Poiseuille?s analytical solution for parallel plates, traditionally used in the literature, and the second model, proposed by the author, it?s based on the Navier-Stokes equations. The results obtained for this comparison indicate that the use of Poiseuille?s model is advantageous for regular problems of hydraulic fracturing, with a relative percent difference of approximately 0,1% for a Reynolds number at the entrance of the order of ten to the power of five and a computational time 50% smaller for the solution of Poiseuille?s model. Results are shown for several problems involving fractures, in order to discuss and explore the physical phenomena and the numerical implementation developed.

Orientador: Carlos Henrique Daros Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: No presente trabalho, é investigado o comportamento linear elástico e viscoelástico de sólidos tridimensionais compostos por materiais gradualmente funcionais (MGFs) isotrópicos utilizando o método dos elementos de contorno (MEC). Para o MGF considerado, o módulo de elasticidade varia exponencialmente ao longo de uma, duas ou três direções e o coeficiente de Poisson é mantido constante. Com a finalidade de reproduzir o comportamento viscoelástico do material, os modelos lineares de Kelvin-Voigt e Boltzmann são incorporados na formulação do MEC. Essa metodologia é baseada nas relações constitutivas para viscoelasticidade linear, a qual evita o uso de funções de relaxação ou fluência. O caso especial de gradação exponencial é governado por uma solução fundamental que é aqui revista e implementada. Para lidar com o alto custo computacional envolvido na avaliação das funções de Green são utilizados algorítimos de processamento paralelo sobre os elementos de contorno ou sobre os subdomínios. Além disso, estudos direcionados à mecânica da fratura são desenvolvidos para os meios elásticos e viscoelásticos com a finalidade de se obter os efeitos da gradação do material e do tempo sobre os fatores de intensidade de tensão, deslocamentos de abertura da trinca e taxas de liberação de energia. As formulações são verificadas por meio de estudos de casos e comparadas com respostas analíticas, quando possível, e através de resultados numéricos obtidos na literatura ou com a utilização de software comercial de elementos finitos Abstract: In the present work, the linear elastic and viscoelastic behavior of three-dimensional solids made up of isotropic functionally graded materials (FGMs) is investigated using the boundary element method (BEM). For the FGM considered, the elastic modulus varies exponentially along with one, two, or three directions and the Poisson’s ratio is constant. In order to reproduce the material’s viscoelastic behavior, the Kelvin-Voigt and Boltzmann linear models are incorporated into BEM formulation. This approach is based on the constitutive relations for linear viscoelasticity, which avoids the use of relaxation or creep functions. The special case of material exponential gradation is governed by a fundamental solution that is reviewed and implemented herein. Processing parallel algorithms are used over boundary elements or over subdomains to overcome the high computational cost of evaluating the Green’s functions. Moreover, studies focused on fracture mechanics, considering the elastic and viscoelastic medium, are performed in order to obtain the effects of material gradation and time on the stress intensity factors (SIFs), crack opening displacements (CODs), and energy release rates (ERRs). The formulations are verified by some samples and comparisons with the corresponding analytical responses, when possible, and numerical results from literature or commercial finite element’s software Doutorado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Doutor em Engenharia Mecânica CAPES 33003017 FAPESP 2016/23745-0

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Campus Joinville, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciências Mecânicas, Joinville, 2021. O teste de indentação Vickers permite determinar a tenacidade à fratura (???) a partir de uma constante empírica, módulo de elasticidade, dureza, força aplicada no teste de indentação, e comprimento de trincas. Da literatura, sabe-se que o valor verdadeiro de uma grandeza física só pode ser obtido de forma aproximada, ou seja, os resultados de medições serão acompanhados de alguma fonte de erro. Portanto, a finalidade desse trabalho é avaliar os erros das definições dos modelos matemáticos da tenacidade à fratura de Anstis, Niihara et al., Evans e Charles, Tanaka, e Lankford aplicados a técnica de indentação Vickers para materiais frágeis isotrópicos. Baseado na teoria da propagação de erros para variáveis dependentes, modelos matemáticos dos erros da tenacidade à fratura foram desenvolvidos. Para o desenvolvimento do trabalho foram utilizados dados experimentais referentes aos testes de indentação Vickers em um vidro isolador de alta tensão previamente realizados por Mikowski et al. (2007). Para a obtenção dos objetivos foi aplicada estatística descritiva a fim de avaliar os resultados de média, desvio padrão e coeficiente de variação dos modelos matemáticos da tenacidade à fratura; aplicação da teoria de propagação de erros para tenacidade à fratura das variáveis dependentes, possibilitando a investigação de qual termo dentro dos modelos mais influencia para a propagação; a comparação dos modelos matemáticos dos erros padrões (desvios padrões) dos modelos com os modelos matemáticos desenvolvidos pela propagação de erros da tenacidade à fratura. Com isso, verificou-se que as fontes de erros que apresentaram os maiores valores em todos os modelos matemáticos de erro estão relacionadas com a metade da diagonal da impressão Vickers (?) e ao comprimento da trinca radial (?) gerada no ensaio mecânico de indentação Vickers. Também foi possível evidenciar que os modelos matemáticos de tenacidade à fratura que apresentam os erros padrões (desvios padrões) suprimem os erros das constantes empíricas. Os modelos desenvolvidos neste trabalho generalizam os modelos disponíveis na literatura. Abstract: The Vickers indentation test allows the determination of fracture toughness (???) from an empirical constant, modulus of elasticity, hardness, applied force in the indentation test, and crack length. From the literature, it is known that the true value of a physical quantity can only be obtained in an approximate way, that is, the measurement results will be accompanied by some source of error. Therefore, the purpose of this work is to evaluate the errors in the definitions of the mathematical models of fracture toughness by Anstis, Niihara et al., Evans and Charles, Tanaka and Lankford applied to the Vickers indentation technique for isotropic brittle materials. Based on the theory of error propagation for dependent variables, mathematical models of fracture toughness errors are developed. For the development of the work, an experimental database referring to the Vickers indentation tests in a high-voltage insulating glass, previously carried out by Mikowski et al. (2007). To obtain the objectives, descriptive statistics were applied in order to evaluate the results of mean, standard deviation and coefficient of variation of the mathematical models of fracture toughness; application of the error propagation theory for fracture toughness of dependent variables, enabling the investigation of which term within the models most influences the propagation; the comparison of the mathematical models of the standard errors (standard deviations) of the models with the mathematical models developed by the propagation of errors from fracture toughness. Thus, it was found that the error sources that presented the highest values in all mathematical error models are related to the half of the diagonal of the Vickers impression (?) and to the length of the radial crack (?) generated in the mechanical test of Vickers indentation. It was also possible to show that the mathematical models of fracture toughness that present standard errors (standard deviations) suppress the errors of empirical constants. The models developed in this work generalize the models available in the literature.

Estruturas mecânicas são submetidas aos esforços cíclicos e tendem a colapsar nas condições de fadiga. Existem diversos modelos matemáticos que descrevem a propagação de uma trinca. De forma geral, os modelos de propagação de trinca são classificados pelo tipo de carregamento, que pode ter amplitude de tensão constante ou amplitude de tensão variável. Neste trabalho será explorado o modelo do tipo amplitude de tensão constante proposto por Collipriest. Para muitas aplicações de engenharia é exigido uma estimativa confiável do comportamento da trinca. Portanto, este trabalho apresenta resultados teóricos, que consistem na quantificação de incerteza nos parâmetros de definição no modelo utilizado, tomando como base cotas inferiores e superiores, que “envelopam” os estimadores dos momentos estatísticos de primeira e de segunda ordem da função “tamanho de trinca”, baseadas no método Fast Crack Bounds. Essas cotas são polinômios, definidos na variável número de ciclos, que consideram as incertezas nos parâmetros que descrevem os modelos de propagação de trinca. O método de simulação de Monte Carlo foi utilizado para obter as realizações da função tamanho de trinca a partir de um conjunto de amostras randômicas dos parâmetros característicos do modelo de Collipriest. Essas realizações serão utilizadas para obter os estimadores dos momentos estatísticos do “tamanho de trinca”. A eficiência das cotas para os estimadores dos momentos estatísticos do “tamanho de trinca” é avaliada através de funções “desvio relativo” entre as cotas e as soluções numéricas aproximadas do problema de valor inicial que descreve o modelo de Collipriest. Em geral, a solução do problema de valor inicial que descrevem os modelos de propagação de trincas é obtida através do uso de métodos numéricos, como o método de Runge-Kutta de quarta ordem explícito. Neste trabalho foi utilizado o software MATLAB para obter as soluções que descrevem o modelo de propagação de trincas do modelo de Collipriest. Mechanical structures are subjected to the cicles loads and collapse in fatigue conditions. There are many mathematical models describing the crack propagation. Generally, crack propagation models are classified by the load type, wich can be constant stress amplitude or variable stress amplitude. In this work the Collipriest constant stress amplitude model will be studied. For many engineering applications a reliable estimation of crack propagation are required. Therefore this work presents the theorical results, wich provides in the uncertainty quantification parameters of the used model and considering the lower and upper bounds envelonping the statistical estimators of the first and second terms of the crack size function, on the basis of Fast Crack Bounds method. These bounds are polymonials and defined in the variable cicle number, wich consider the incertanties in parameters of the crack propagation model. The Monte Carlo simulation method was used to obtain the crack size funcion from randomic samples set and based on the Collipriest parameters model. These statistical realization are used to give the estimators and moments of the crack size function. The bounds efficiency of the statistical estimators moments is evaluated throught relative deviations functions between bounds and approximate numerical solutions of the Collipriest model initial value problem. Generally, the initial value problem, wich describes the crack propagtions models, uses numerical methods such as the explicit fourth order Runge-Kutta method. In this work Matlab software will be used to obtain the solutions that describe the Collipriest crack propagation model.

It is known that fracture mechanics has become very important in the design of projects and the development of the maintenance plan for a particular component. Better predictions of failure directly influence the economic cost of the project beneficially, when it is possible to guarantee a safe life in components with the presence of a crack. In this way, several studies have contributed to improving the prediction of the failure of a certain part. The objective of this work is to define the mechanical properties of 7075 T6 aluminum as fracture toughness and Paris law C and m coefficients for crack growth, in addition to comparing the fatigue crack growth test experimentally with the numerical integration method for a load of constant amplitude with a load ratio (R) equal to 0.1. The results presented were satisfactory, enabling the obtaining of reliable values of the Paris constants, as well as the verification of the crack propagation rate when compared to the literature data. Finally, with the analysis of the results, it can be inferred that the use of the coefficients obtained experimentally provides more conservative and precise values of the life estimate than those available in the literature for the evaluated material. This, therefore, further emphasizes the importance of experimental tests in fracture mechanics., Sabe-se que a mecânica da fratura tem se tornado muito importante na concepção de projetos e na elaboração do plano de manutenção de um determinado componente. Melhores previsões de falha influenciam diretamente no custo econômico do projeto de forma benéfica, quando se é possível garantir uma vida segura em componentes com presença de trinca. Deste modo, diversas pesquisas têm contribuído para melhorar a previsão de falha de uma determinada peça. O objetivo deste trabalho é definir as propriedades mecânicas do alumínio 7075 T6 como tenacidade à fratura e os coeficientes da lei de Paris C, e m, para crescimento de trincas, além de comparar o ensaio experimental de crescimento de trinca por fadiga com o método de integração numérica para um carregamento de amplitude constante com razão de carregamento (R ) igual 0,1. Os resultados apresentados mostraram-se satisfatórios propiciando a obtenção de valores confiáveis das constantes de Paris, bem como, a verificação da taxa de propagação de trincas se comparados aos dados da literatura. Por fim, com a análise dos resultados pode-se inferir que a utilização dos coeficientes obtidos experimentalmente fornece valores mais conservadores e precisos da estimativa de vida do que aqueles disponíveis na literatura para o material avaliado. Isso, portanto, ressalta ainda mais a importância dos ensaios experimentais na mecânica da fratura.

Em grande parte dos componentes mecânicos os carregamentos estão sujeitos a alterações de magnitude e em alguns casos orientação. Nestas condições as abordagens aplicáveis para carregamentos estáticos tornam-se insuficientes, em razão da complexidade inerente ao fenômeno de Fadiga, sendo necessário emprego de outras abordagens, como a Mecânica da Fratura Linear Elástica (MFLE). A MFLE propõe diversos modelos de evolução de trincas no sentido de predizer uma vida sob fadiga. O presente trabalho apresentou um novo método de estabelecimento da cota superiora para o Método “Fast Crack Bounds” (FCB), aplicado a modelos de evolução do tamanho da trinca unidimensional, sujeitos a carregamento de amplitude de tensão constante (CATC). Os modelos estudados foram os de Paris-Erdogan e Forman. Realizou-se uma simulação com base em solução numérica aproximada e a combinação convexa das cotas superior e inferior. Mediu-se o desempenho pelo erro relativo em relação à solução numérica obtida pelo método de Runge-Kutta de quarta ordem, tendo sido observado que o novo método proposto para determinação da cota superior ao modelo FCB apresenta resultados satisfatórios. Most components operate under alternated loading. Under these conditions, the static approach are insufficient describe the behavior, considering the the complexity of the fatigue phenomenon, with the need for other approaches, such as an Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM). LEFM has several models of evolution of cracks to describe the crack propagation in fatigue. The present work edscribes a new method of determination to the Upper Bound crack size, under Constant Loading Tension in one dimension. The Paris-Erdogan and Forman models were object of study . A simulation based on the approximate numerical solution was performed, and a convex combination of the upper and lower dimensions applied. Relative error for a numerical solution was measured by the fourth-order Runge-Kutta method, and the new method applied to the FCB model presented satisfatory results.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2020. O objetivo deste trabalho foi investigar a propagação de trinca por fadiga no aço SAE 1045 laminado. Todos os experimentos foram realizados em corpos de prova do tipo C(T) e seguiram as recomendações descritas na norma ASTM 647. Três razões de carregamento (R = 0,1, 0,4 e 0,7) foram estudadas. Os procedimentos de ensaio com K- decrescente e com amplitude de carregamento constante foram usados para obter dados experimentais nas regiões I e II do diagrama taxa de propagação da trinca vs. faixa do fator de intensidade de tensão (da/dN vs. ΔK), respectivamente. O tamanho da trinca foi medido de forma visual, por meio de uma luneta e uma escala colada à superfície lateral do corpo de prova, e pela técnica da variação da flexibilidade elástica do corpo de prova. A taxa de propagação da trinca foi obtida pelo método polinomial incremental de duas formas: extraindo o valor fornecido pelo aplicativo MTS Fatigue Crack Growth TestWare e utilizando-se o script MATLAB implementado neste trabalho. As diferentes formas usadas para determinar o tamanho da trinca e a taxa de propagação da trinca fornecem praticamente os mesmos valores. Observou-se que o limiar da faixa do fator de intensidade de tensão, ΔKth, diminuiu à medida que a razão de carregamento aumentou e que o efeito da razão de carregamento na taxa de propagação da trinca não é significativo na região II do diagrama da/dN vs. ΔK. The objective of this work was to investigate the fatigue crack propagation in rolled SAE 1045 steel. All experiments were carried out on type C(T) specimens and followed the recommendations described in the ASTM 647 standard. Three loading ratios (R = 0.1, 0.4 and 0.7) were investigated. The test procedures with K-decreasing and with constant loading amplitude were used to obtain experimental data in regions I and II of the crack propagation rate vs. diagram stress intensity factor range (da/dN vs. ΔK), respectively. The crack size was measured visually, by means of a telescope and a scale glued to the lateral surface of the specimen, and by the technique of varying the elastic flexibility of the specimen. The crack propagation rate was obtained by the incremental polynomial method in two ways: extracting the value provided by the MTS Fatigue Crack Growth TestWare application and using the MATLAB script implemented in this work. The results showed that the different forms used to determine the crack size and crack propagation rate provide practically the same values. It was observed that the threshold of the range of the stress intensity factor, ΔKth, tended to decrease as the loading rate increases. It was also observed that the effect of the loading ratio on the crack propagation rate is not significant in the region II of the da/dN vs. ΔK diagram.

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior O presente trabalho apresenta a utilização de estratégias de integração numérica alternativas às convencionais a serem aplicadas no contexto do Método dos Elementos Finitos Generalizados (MEFG), especificamente em modelos bidimensionais da Mecânica da Fratura. Propõe-se o emprego da subdivisão de elementos e mapeamento dos pontos de integração em elementos da malha contendo descontinuidades ou singularidades, representando assim de forma mais realista os campos de deslocamentos e tensões. Busca-se validar as estratégias implementadas por meio da análise da energia de deformação e da rigidez calculadas em exemplos variados, comparando-as com casos onde é empregada a quadratura de Gauss convencional. As estratégias citadas são aplicadas também no âmbito do Método dos Elementos Finitos Generalizados Estável (MEFGE), da metodologia global-local (MEFGgl) e da Análise Fisicamente Não-Linear. Obtém-se resultados mais precisos e tempos de processamento reduzidos devido à diminuição do número de pontos de integração, que passam a ser posicionados levando em conta as especificidades do problema. As implementações computacionais foram realizadas como parte da expansão do sistema INSANE (INteractive Structural ANalysis Environment), um projeto de software livre desenvolvido pelo Departamento de Engenharia de Estruturas da Universidade Federal de Minas Gerais. The current work presents the employment of alternative numerical integration strategies over the conventional ones to be applied in the Generalized Finite Element Method context, specifically in two-dimensional Fracture Mechanics models. It is suggested to utilize the subdivision of elements and mapping of the integration points in mesh elements containing discontinuities or singularities, therefore representing the displacements and stress fields more precisely. It is aimed to validate the implemented strategies by analysing the strain energy and stiffness computed in a range of examples, comparing them to conventional Gauss quadrature situations. The cited strategies are also applied in cases modelled by the Stable Generalized Finite Element Method (GFEM), the global-local methodology (GFEMgl) and the Physically Non-Linear Analysis. It is achieved good results and reduced processing times due to the decrease in the number of integration points, which are allocated taking into account problems particularities. Computational implementations were performed as part of the expansion of INSANE (INteractive Structural ANalysis Environment), an open-source software project developed by the Structural Department of the Federal University of Minas Gerais.

Submitted by Ana Maria de Sousa Rebelo (amsr@isep.ipp.pt) on 2021-07-08T14:53:55Z No. of bitstreams: 1 DM_ArmandoMacedo_2020_MEM.pdf: 6828147 bytes, checksum: 6e62758eab574f646a80b55885f39493 (MD5) Approved for entry into archive by Ana Maria de Sousa Rebelo (amsr@isep.ipp.pt) on 2021-07-08T14:54:15Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DM_ArmandoMacedo_2020_MEM.pdf: 6828147 bytes, checksum: 6e62758eab574f646a80b55885f39493 (MD5) Made available in DSpace on 2021-07-08T14:54:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DM_ArmandoMacedo_2020_MEM.pdf: 6828147 bytes, checksum: 6e62758eab574f646a80b55885f39493 (MD5) Previous issue date: 2020

Conhecer, predizer e modificar como estruturas atingem o colapso é um desafio para a engenharia e também uma chave tecnológica no desenvolvimento de estruturas. Entre os materiais utilizados, aqueles que possuem comportamento dúctil, como é o caso de metais, apresentam um processo de dano que é estudado dentro da teoria da plasticidade, permitindo manter a hipótese dos meios contínuos até determinado grau de deterioração. No caso de matérias quasi-frágeis, como é o caso de cerâmicos, alguns tipos de rochas e concreto, a hipótese de modelos utilizados em materiais dúcteis é no mínimo discutível quando o nível de dano está em elevados patamares, havendo neste caso fenômenos particulares, como a localização, a iteração entre clusters de microfissuras e o efeito de escala, entre outros. É de interesse relacionar os resultados obtidos dentro do âmbito da mecânica do contínuo com teorias que preveem um conjunto de descontinuidades que podem crescer e interagir. Notavelmente, métodos alternativos baseados na mecânica do descontínuo tem apresentado resultados promissores. Neste cenário, o domínio é representado por nós vinculados entre si por funções de interação baseados em campos de forças. Estes métodos permitem incorporar naturalmente o dano e/ou a fratura. Na presente dissertação, uma versão do método dos elementos discretos é aplicada primeiramente para simular campos descontínuos que tem solução analítica conhecida dentro da mecânica do contínuo. Os parâmetros convencionalmente empregados na mecânica do contínuo e os conceitos de micromecânica são empregados para permitir comparações entre a solução analítica (mecânica do contínuo) e a extraída numericamente (modelo discreto). O efeito da mudança do número de trincas e de seus respectivos tamanhos é também estudada. Numa segunda aplicação, o modelo discreto é submetido a danos progressivos devido a carregamentos cíclicos proporcionais e não-proporcionais, permitindo avaliar como as propriedades mecânicas se degeneram ao longo do tempo. Por fim, é feito um estudo mostrando o efeito da subdivisão do domínio discreto, observando-se o erro associado ao se realizar este tipo de procedimento. Diversas observações feitas durante o trabalho permitem verificar não só a validade da metodologia, mas também interpretar os resultados obtidos dentro de cada teoria. Knowing, predicting and modifying how the structure reaches the collapse is an engineering challenge and also a technological key for the development of structures. Among the materials, those with ductile behavior, as metals, are evaluated considering the damage process within the plasticity theory framework and, in this case, the hypothesis of a continuum medium is accepted up to a certain degree of deterioration. For quasi-fragile materials, such as ceramics, some types of ground stones and concrete, the hypothesis applied in ductile materials models is, at the very least, questionable when the damage level is high. In this situation, singular phenomena like the localization, interaction between the microcracks clusters, scale effect, among others, can happen. It is of interest to relate continuum mechanics results with theories that allow the material to present a set of interactive and growing discontinuities. Notably, the application of methods based on discontinuous mechanics has presented promising results. In this scenario, the domain is represented by nodes bounded with each other through interacting functions based on field forces. These methods permit to incorporate the damage and/or the fracture naturally. Firstly, in the present dissertation, a version of the discrete element method is applied to simulate discontinuous fields with a known analytical solution in the context of the continuum damage mechanics. The parameters conventionally applied in continuum mechanics and the concepts of micromechanics are incorporated to allow comparisons between the known analytical (continuum mechanics) and the extracted numerical approach (discrete model). The effect caused by the number of cracks and their corresponding sizes is also studied. In the second application, the discrete model is submitted to progressive damage due to proportional and nonproportional cyclic loading, allowing to discuss and evaluate how the material properties degenerate over time. Lastly, a scenario showing the effect of the domain’s subdivision is made to visualize the associated error while performing this type of analysis. Many observations made during this work permit to verify not only the validity of the methodology but also to interpret the obtained results in the frameworks of the continuous damage mechanics and fracture/damage mechanics.

Orientador: José Luiz Boldrini Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matemática Estatística e Computação Científica Resumo: Neste trabalho são desenvolvidos modelos matemáticos e estratégias numéricas que visam descrever a iniciação e propagação de fraturas em materiais elastoplásticos sob a hipótese de pequenas e grandes deformações. Os modelos aqui desenvolvidos utilizam a metodologia de campos de fase para inserir transições difusas na descrição da fratura. Isso permite caracterizar a nucleação e subsequente propagação de trincas com geometrias complexas sem que haja qualquer tratamento numérico adicional. Além disso, ela permite o desenvolvimento de modelos não-isotérmicos e termodinamicamente consistentes pela utilização de funcionais de energia livre e de dissipação associados à regularização da fratura. Para tal, é empregado o princípio das potências virtuais, balanço de energia e a segunda lei da termodinâmica na forma da desigualdade de entropia de Clausius-Duhem. A metodologia utilizada nesse trabalho conduz a modelos termodinamicamente consistentes mais gerais incluindo contribuições não usualmente consideradas na literatura. As funções de degradação de energia, associadas aos processos de dano, são estudadas e uma nova função de degradação é proposta como alternativa às clássicas. Essa nova função possibilita retardar o processo de amolecimento até que haja a falha. As equações não-lineares resultantes dos modelos apresentados são resolvidas numericamente de maneira sistemática em cada passo de tempo por um método implícito apropriado conjuntamente com o método clássico de Newton-Raphson (movimento, dano e temperatura). A discretização e linearização de cada equação é detalhada, incluindo a obtenção numericamente exata do módulo tangente para densidades de energia livre gerais. Os resultados numéricos, que incluem testes de tensão, cisalhamento e flexão, mostram que os modelos desenvolvidos são hábeis em reproduzir qualitativa e quantitativamente as fraturas frágil e dúctil Abstract: This study presents the development of mathematical models and numerical strategies to describe the initialization and crack propagation in elasto-plastic materials under the hypothesis of small and large strains. The developed models use the phase field methodology to introduce diffuse transitions in the fracture description. It allows describing the nucleation and subsequent propagation of cracks with complex geometries without any additional numerical treatment. Moreover, it leads to non-isothermal thermodynamically consistent models by considering the dissipative and free-energy potentials associated with the fracture regularization. Employing the principle of virtual powers, energy balance and the second law of thermodynamics in the form of the Clausius-Duhem entropy inequality, this methodology leads to general thermodynamically consistent models including contributions not usually considered in the literature. The energy degradation functions associated with damage processes are studied and a new degradation function is proposed alternatively to the classical expressions. This new function delays the softening process until the failure. The nonlinear equations resulting from the developed models are solved numerically and systematically, at each time step, by adopting an appropriated implicit method together with the classical Newton-Raphson method (motion, damage, and temperature). The discretization and linearization of each equation are detailed, including an accurate numerical evaluation of the tangent modulus for general free-energy densities. Numerical results, including tensile, shear and bending tests, show that these models can reproduce qualitative and quantitative fragile and ductile fractures Doutorado Matemática Aplicada Doutor em Matemática Aplicada FAPESP 2015/20188-0

Submitted by Ana Rebelo (amsr@isep.ipp.pt) on 2020-10-20T08:47:52Z No. of bitstreams: 1 DM_LuisNeves_2020_MEM.pdf: 6608656 bytes, checksum: 8e02bdd0fa8640bd0658b8d8e5d2b423 (MD5) Approved for entry into archive by Ana Rebelo (amsr@isep.ipp.pt) on 2020-10-20T08:48:55Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DM_LuisNeves_2020_MEM.pdf: 6608656 bytes, checksum: 8e02bdd0fa8640bd0658b8d8e5d2b423 (MD5) Made available in DSpace on 2020-10-20T08:48:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DM_LuisNeves_2020_MEM.pdf: 6608656 bytes, checksum: 8e02bdd0fa8640bd0658b8d8e5d2b423 (MD5) Previous issue date: 2020

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) A mecânica da fratura estuda o comportamento das trincas visando compreender e prever a sua propagação até a fratura, com a finalidade de evitar acidentes catastróficos, pois, cerca de 80% das falhas nas indústrias ocorrem devido a fadiga que é originada por trincas. Em geral as previsões realizadas baseiam-se em modelos de referência e matemáticos. A alta complexidade dos problemas de análise de estruturas tem estimulado os engenheiros a recorrerem a métodos numéricos tais como métodos de elementos finitos, diferenças finitas ou elementos de contorno para quantificar a incerteza, visto que normalmente na prática algumas variáveis e condições do problema analisado são desconhecidas. O objetivo deste trabalho é quantificar a incerteza da propagação de trinca no modelo de McEvily via metodologia Fast Crack Bounds (FCB) proposta por Avila et al. (2016). A quantificação da incerteza consiste em obter cotas para os estimadores dos momentos estatísticos do processo estocástico “Tamanho de Trinca” usando o método FCB e simulação de Monte Carlo conjuntamente. O método FCB incide em obter cotas (funções) inferior e superior para a função tamanho de trinca, essas cotas “envelopam” a solução numérica de RungeKutta de ordem 4. As cotas são obtidas por majorações adequadas a partir do Problema de Valor Inicial (PVI) de propagação de trinca de McEvily, por meio da série de Taylor retendo o termo de segunda ordem com resto de Lagrange. Após formular matematicamente as cotas, utiliza-se o software MATLAB na execução dos algoritmos implementados para quantificar a incerteza. Os resultados gerados no MATLAB são as estimativas do primeiro e segundo momento estatístico, bem como os seus desvios e os tempos computacionais entre as cotas e a solução numérica RK4. Estes resultados teóricos são posteriormente apresentados e analisados em forma de tabelas e gráficos. The fracture mechanics studies the behavior of cracks in order to understand and predict their propagation until the fracture, in order to avoid catastrophic accidents, since about 80% of failures in industries occur due to fatigue that is caused by cracks. In general, the predictions made are based on mathematical models. The high complexity of structural analysis problems has encouraged engineers to resort to numerical methods such as finite element methods, finite differences or boundary elements to quantify the uncertainty, since normally some variables and conditions of the analyzed problem are unknown. The objective of this work is to quantify the uncertainty of crack propagation in the McEvily model via the Fast Crack Bounds (FCB) methodology proposed by Avila et al. (2016). The uncertainty quantification consists of to obtain quotas for the estimators of the statistical moments of the “Crack Size” stochastic process using the FCB method and Monte Carlo simulation. The FCB method focuses to obtain quotas lower and upper (functions) for the crack size function, these dimensions “envelop” the numerical solution of Runge-Kutta of order 4. The quotas are obtained by from the Initial Value Problem (IVP) of McEvily crack propagation, through the Taylor series retaining the second order term with Lagrange’s remainder. After to define the quotas, the MATLAB software is used to execute the implemented algorithms to quantify the uncertainty. The results generated in MATLAB are the estimates of the first and second statistical moments, as well as their deviations and the computational times between the quotas and the numerical solution RK4. These theoretical results are later presented and analyzed in the form of tables and graphs.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Neste trabalho foi analisado o efeito das tensões residuais compressivas, obtidas por shot peening, na resistência à fadiga de contato de rolamento de um ferro fundido nodular temperado. Esse material apresenta desempenho mecânico similar ao de alguns aços, com vantagens, como menor peso e custo. Porém, quando submetido à esforços de contato cíclicos, como na fadiga de contato de rolamento, apresenta menor vida que os aços. Formas de melhorar o desempenho desse material são importantes quando se deseja tornar viável seu uso para fabricação de peças sujeitas a esse tipo de falha. Diversos trabalhos relatam um aumento na vida em fadiga de contato de rolamento para alguns materiais, devido a presença de tensões residuais compressivas na superfície do componente. Entretanto, não existe uniformidade dos resultados relacionados ao uso de tensões residuais para esse fim. Para atender o objetivo proposto, utilizou-se a técnica de shot peening para criar um perfil de tensões residuais compressivas em amostras de ferro fundido nodular temperado. Este material foi obtido por meio de fundição contínua, com contagem de grafitas de 210 nod/mm², sendo posteriormente temperado e revenido, de modo que uma dureza de 607 ± 14 HV50 fosse alcançada. O valor dessas tensões foi medido através da técnica de difração de raios X, com remoção química de camadas. As amostras polidas foram submetidas a ensaios de fadiga do tipo esfera contra plano, em rolamento puro, e sua vida característica foi calculada utilizando a distribuição de probabilidade de Weibull de dois parâmetros. A carga de ensaio gerou uma pressão de contato de 2,2 GPa e foi escolhida considerando não apenas as propriedades do material, mas também o perfil de tensão residual gerado pelo shot peening. O que permitiu que o ponto de máxima tensão cisalhante estivesse localizado dentro do campo de tensões residuais compressivas. Para avaliar o efeito da presença das tensões residuais, um grupo de amostras temperadas e revenidas e sem shot peening também foi submetido ao ensaio. Observou-se que a presença de tensões residuais compressivas levou a uma queda de aproximadamente 47% na vida média das amostras. Através da análise fractográfica percebeu-se que as falhas iniciavam aproximadamente na região onde localizava-se a máxima tensão cisalhante, resultante do contato, para ambos os grupos analisados. O campo de tensões residuais não alterou o mecanismo de falha. Entretanto, a compressão causada pelo shot peening pode ter alterado as tensões principais resultantes do contato, o que pode ter causado a aceleração da nucleação e propagação das trincas. This work analyzes the effect of compressive residual stresses, obtained by shot peening, on rolling contact fatigue resistance of a quenched ductile cast iron. This material presents similar mechanical behavior when compared to some steels, but with the benefits of being cheaper and lighter. In the other hand, when subjected to cyclic contact loadings, it presents shorter fatigue life than steels. Means of improving the performance of ductile cast irons are important specially to make them feasible for the manufacturing of parts that might fail in this situation. Previous works showed improvement on contact rolling fatigue life for some materials due to the presence of compressive residual stresses on the surface of the components. However, there is no consistency of results about residual stresses for this application. To achieve the proposed objective, shot peening process was used to produce a compressive residual stresses profile on the surface of quenched ductile cast iron samples. This material was obtained from continuous casting process and presented graphite count of 210 nodules/mm2. Quenching and tempering reached a hardness value of 607 ± 14 HV50. Residual stresses were measured using X-ray diffraction and chemically clearance of layers. Contact fatigue tests were performed on polished samples with ball-on-flat mode and fatigue lives were calculated using two-parameter Weibull probability distribution. The testing load induce a 2.2 GPa contact pressure. This load was chosen, considering the material properties and ensuring that the maximum shear stress point was inside the compressive residual stresses region produced by shot peening. Another group of quenched and tempered samples which were not processed by shot peening was tested to compare the results. It was observed that the effect of compressive residual stresses on fatigue life of samples was reduced approximately 47%. Through fractography analysis, it was possible to notice that the fail started close to the maximum shear stress region in both conditions. The residual stresses profile did not modify the failure mode. However, the compression caused by the shot peening process could have modify the contact principal stresses, which resulted in a faster cracks nucleation and growth.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2019. Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq). Este trabalho investiga os efeitos de microdefeitos na vida à fadiga no aço de baixo carbono SAE 1020. O programa experimental consistiu em um conjunto de ensaios uniaxiais de fadiga em amostras lisas e com quatro tipos de defeitos– defeito cilíndrico (0,42 x 0,42 x 0,42 mm), defeito cilíndrico (0,75 x 0,75 x 0,75 mm), defeito cilíndrico raso (0,75 x 0,75 x 0,20 mm) e defeito oblongo (0,84 x 0,42 x 0,42 mm) – afim de obter as curvas S-N, entre 103 a 106 ciclos, para cada caso. Como primeira abordagem, foi realizada simulação numérica em elementos finitos para uma análise elástica linear ao redor dos defeitos. Como base nos resultados obtidos nestas análises, observou-se que ao variar qualquer característica dos pequenos defeitos – tamanho, forma e profundidade – a vida à fadiga é afetada significativamente, mesmo mantendo a medida √area, que tem sido empregada para caracterizar a influência de pequenos defeito no contexto da resistência à fadiga. Defeitos de menor diâmetro (0,42 x 0,42 x 0,42) apresentaram menor influência, com redução na vida à fadiga 50% menor, quando comparados com defeitos maiores (0,75 x 0,75 x 0,75 mm). Dentre todos os casos analisados, os corpos de provas com defeitos rasos apresentaram a maior redução de vida à fadiga, variando entre 60% a 95% quando comparados aos corpos de provas lisos, tal resultado ocorreu possivelmente devido ao pequeno volume de material disponível para a distribuição de tensões em torno dos defeitos. Em geral, para vidas mais longas (105 ciclos), os efeitos dos microdefeitos são correspondentemente maiores, para todos os casos analisados. This work investigates the effects of small defects in the fatigue life on SAE 1020 low carbon steel. For this, the experimental program consisted in a set of uniaxial fatigue tests in smooth specimens and specimens with four types of defects - cylindrical defect (0.42 x 0.42 x 0.42mm), cylindrical defect (0.75 x 0.75 x 0.75 mm), cylindrical shallow defect (0.75 x 0.75 x 0.20 mm) and elliptical defect (0.84 x 0.42 x 0.42 mm)- in order to obtain S-N curves, in the range between 103 and 106 cycles. As a first approach, finite element numerical simulation was used for linear elastic analysis around the defects. Based on the results obtained in these analyzes, it was observed that when any small defect characteristics - size, shape and depth – changes, the fatigue life is significantly affected. Smaller defects (0.42 x 0.42 x 0.42 mm) - showed less influence, with 50% smaller reductions in fatigue life, when compared to larger defects (0.75 x 0.75 x 0.75 mm). Among all the analyzed cases, the specimens with shallow defects presented the greatest fatigue life reduction, between 60% to 95% when compared to smooth specimens, this result was possibly due to the small region for the distribution of stress around discontinuity. In general, for high lives (105 cycles), the effects of the small defects are correspondingly larger, for all analyzed cases.

Petróleo Brasileiro (Petrobrás) Os estudos envolvendo escoamento de fluidos não newtonianos em dutos ou canais total ou parcialmente porosos têm recebido considerável atenção devido à sua grande gama de aplicações de engenharia, como perfuração, produção e recuperação de reservatórios de petróleo e gás. No processo de perfuração a perda de circulação é um dos principais fenômenos que interferem na operação do poço. A presença de fraturas, frequentes no conjunto poço-formação, somadas aos gradientes de pressão, acentua significativamente a perda de fluido. No presente trabalho, o escoamento de fluido não newtoniano em canal parcialmente poroso e fraturado é investigado, caracterizando o fenômeno de perda de circulação. Os testes apresentados foram realizados em uma unidade experimental composta por uma seção de testes retangular, que representa o conjunto poço-formação na presença de uma fratura, utilizando medidores de pressão, vazão e temperatura para monitorar o escoamento. Foram utilizadas soluções aquosas de carbopol, goma xantana, carboximetilcelulose e glicerina como fluidos de trabalho e filtros cerâmicos de espuma reticulada para representar a formação rochosa. Com objetivo de avaliar a influência da variação de parâmetros do escoamento, do fluido e do meio poroso, foram variados o número de Reynolds do escoamento, a vazão de fuga pela fratura, a viscosidade do fluido, o fluido de trabalho e a abertura de células do meio poroso. Os resultados obtidos mostram que todos os parâmetros são capazes de alterar as configurações de pressão durante a perda de circulação, exercendo uma influência direta no gradiente de pressão gerado entre o canal e a fratura. Studies involving the flow of non-newtonian fluids into totally or partially porous ducts or channels have received considerable attention because of their wide range of engineering applications such as drilling, production and recovery of oil and gas reservoirs. In the drilling process the lost circulation is one of the main phenomena that interfere with the well operation. The presence of fractures, common in all well-formation, added to the pressure gradient, significantly enhances fluid loss. In the present work, the flow of non-newtonian fluid in a partially porous and fractured channel is investigated, characterizing the lost circulation phenomenon. The tests presented were performed in an experimental set-up, comprising a rectangular test section, representing a wellformation with a transverse fracture, instrumented with pressure gauges, flow and temperature monitors. Aqueous solutions of carbopol, xanthan gum, carboxymethyl cellulose and glycerin were used as working fluids and crosslinked foam ceramic filters to represent the rock formation. In order to evaluate the variation influence of parameters of the flow, fluid and porous medium, the Reynolds number of the flow, the flow rate at the fracture, the viscosity of the fluid, the working fluid and the cell opening of the porous medium were varied. The results show that all parameters are capable of altering the pressure settings during the lost circulation, exerting a direct influence on the pressure gradient generated between the channel and the fracture.

Submitted by Natasha Valladão (natashasilvaa4@gmail.com) on 2021-01-20T00:51:18Z No. of bitstreams: 1 AlexandreMiguelCalhauMartins-min.pdf: 4248030 bytes, checksum: 272c3ad935b998f5015da685d4312a8a (MD5) Made available in DSpace on 2021-01-20T00:51:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 AlexandreMiguelCalhauMartins-min.pdf: 4248030 bytes, checksum: 272c3ad935b998f5015da685d4312a8a (MD5) Previous issue date: 2019-05 Neste trabalho foram avaliadas técnicas numéricas para o cálculo do parâmetro integral da mecânica da fratura elastoplástica em conexões flangeadas prétrincadas utilizando o método dos elementos finitos. Curvas de resistência ao crescimento de trinca foram avaliadas experimentalmente à temperatura ambiente (23°C) no material métalico AISI 4130, que é usado na fabricação das conexões flangeadas. A tenacidade à fratura foi avaliada também à temperatura negativa (-20°C e -40°C), onde foi possível obter valores de integral nos pontos de instabilidade. O crescimento da trinca foi avaliado pela técnica de descargas parciais em corpos de prova com geometria compacta de tração C(T). O trabalho forneceu bons resultados para abordagem via elementos finitos em conexões flangeadas pré-trincadas em dutos flexíveis sobre tração e pressão interna, permitindo uma análise de instabilidade através da análise de diagramas de força motriz para a propagação de trinca (CDFD). Permitiu ainda fazer uma análise do ponto de vista de colapso plástico da conexão como um todo, através da comparação das tensões aplicadas com os limites de resistência do material. In this study some numeric technics were evaluated for the calculation of elastoplastic fracture mechanics parameter integral on pre-cracked flanged connections using finite element analysis. Resistance curves to the crack propagation were evaluated experimentally at room temperature (23°C) in metallic material AISI 4130, that is used in the fabrication of flanged connections. The material toughness was also evaluated at low temperatures (-20°C and -40°C) and the integral values at the instability point was obtained. The crack length during the tests was evaluated trough the unloading compliance technique using compact-tension C(T) test specimens. This study provided good results by using finite element on pre-cracked flanged connections in flexible pipes under tension and internal pressure, allowing an instability analysis using Crack Driving Force Diagrams. In addition, it allowed plastic collapse analysis of the flanged connections by comparison of the stress level and the yield strength of the material.

Os resultados de um ensaio de fraturamento hidráulico de laboratório são analisados por modelos da elasticidade e da mecânica da fratura. Uma solução analítica para uma abertura circular em meio infinito com tensões in situ não hidrostáticas, uma carga interna e um modelo de elementos finitos do ensaio apresentam tensões de tração máximas que superam a resistência à tração do material. Estes dois modelos explicam a iniciação da fratura. Soluções de referência de mecânica da fratura e modelos de elementos finitos para representar o fraturamento no ensaio, quando comparados com tenacidade à fratura, explicam o processo de propagação da fratura. O conjunto dos modelos permite um melhor entendimento do processo da mecânica do fraturamento. As tensões in situ, a pressão interna do furo e a pressão na fratura possuem papeis distintos no referido processo.

Esta dissertação de mestrado apresenta a automatização da estratégia globallocal sob a abordagem do Método dos Elementos Finitos Generalizados, avaliando seu desempenho na simulação de problemas bidimensionais da Mecânica da Fratura Linear Elastica. O Método dos Elementos Finitos Generalizados é um método numérico estabelecido como alternativa ao Método dos Elementos Finitos, sendo particularmente eficaz na análise de problemas cuja solução não é suave. Propõe-se uma estratégia automatizada de construção de problemas locais, cujas soluções enriquecem a aproximação de um problema global único, tendo em vista a redução da interferência do usuário na simulação da propagação de trincas. A implementação computacional atuou na expansão do sistema INSANE (INteractive Structural ANalysis Environment), um projeto software livre desenvolvido no Departamento de Engenharia de Estruturas da Universidade Federal de Minas Gerais. Novos procedimentos foram incorporados ao sistema, viabilizando a construção automatizada de problemas locais capazes de acompanhar a trajetoria descrita ao longo do processo de crescimento de uma trinca. A implementação foi validada atraves da simulação numérica de problemas com solicitações e geometrias diversas, buscando a correta obtenção de fatores de intensidade de tensão nos modos I e II de abertura de trinca. O desempenho do método foi mensurado com base nos resultados obtidos em energia de deformação, fatores de intensidade de tensão e trajetoria de propagação da trinca. Foram consideradas as influências dos ciclos de análise global-local, enriquecimento polinomial e topologia da malha. Buscou-se, adicionalmente, avaliar o efeito da abordagem estavel do Metodo dos Elementos Finitos Generalizados sobre o enriquecimento obtido da solução numérica do problema local. This master's thesis presents the automation of the global-local strategy under the Generalized Finite Element Method approach, evaluating its performance in the analysis of two-dimensional problems of Linear Elastic Frature Mechanics. The Generalized Finite Element Method is a numerical method established as an alternative to the Finite Element Method (MEF), being particularly efective for problems with non-smooth solutions. An automated strategy for building local problems,whose solution enriches the approximation of an unique global problem, is proposed, aiming to reduce user interference in the simulation of crack propagation. The implementation is carried out as an expansion of the INSANE (INteractive Structural ANALYSIS Environment) system, a free software project developed in the Department of Structural Engineering of the Federal University of Minas Gerais. New procedures were incorporated into the system, making possible the defnitionof adaptive local problems, able to follow the path described during the process of crack growth. The implementation was validated by the numerical simulation of problems with diferent geometries and loadings, seeking the correct extraction of stress intensity factors for crack opening modes I and II. The method performance was measured based on the results in strain energy, stress intensity factors and crack path. Inuences of the global-local analysis cycles, polynomial enrichment and meshtopology were considered. Additionally, the efect of the Stable Generalized Finite Element Method approach on the enrichment obtained from the local problem solution is evaluated.

Discontinuity mapping and analysis are extremely important for modeling shallow tunnels constructed in fractured rock masses. However, the limited exposure and variability of rock face orientation in tunnels must be taken into account. In this paper, an automatic method is proposed to generate discrete fracture networks (DFNs) using terrestrial laser scanner (TLS) geological mapping and to continuously calculate the volumetric intensities (P 32) along a tunnel. The number of fractures intersecting rectangular sampling planes with different orientations, fitted in tunnel sections of finite lengths, is used as the program termination criteria to create multiple DFNs and to calculate the mean P 32. All traces and orientations from three discontinuity sets of the Monte Seco tunnel (Vitoria Minas Railway) were mapped and the present method applied to obtain the continuous variation in P 32 along the tunnel. A practical approach to creating single and continuous DFNs (for each discontinuity set), considering the P 32 variations, is also presented, and the results are validated by comparing the trace intensities (P 21) from the TLS mapping and DFNs generated. Three examples of 3DEC block models generated from different sections of the tunnel are shown, including the ground surface and the bedrock topographies. The results indicate that the proposed method is a practical and powerful tool for modeling fractured rock masses of uncovered tunnels. It is also promising for application during tunnel construction when TLS mapping is a daily task (for as-built tunnel controls), and the complete geological mapping (traces and orientations) is available.

RESUMO Recentes trabalhos propõem a utilização dos ensaios de indentação como uma ferramenta capaz de avaliar características mecânicas de filmes finos, assim como avaliar possíveis falhas em sistemas que conjugam filmes de alta dureza depositados em substratos metálicos em solicitações tribológicas. Entretanto, a implementação da técnica de indentação para a avaliação do comportamento destes sistemas filme/substrato e os seus resultados, continuam ocasionando dúvidas no meio científico. Em função destas incertezas na análise do ensaio de indentação, o uso da análise numérica capaz de avaliar os campos de tensões e de deformações durante o ciclo de indentação pode auxiliar em uma interpretação mais segura deste ensaio. Por isso, este trabalho tem como objetivo utilizar o Método dos Elementos Finitos (MEF) para simular ensaios de indentação em um filme de Nitreto de Cromo e Alumínio (CrAlN) de alta dureza depositado em um substrato de aço carbono. Foram usados dois diferentes modelos de danos para avaliar os processos de fratura que ocorrem nestes ensaios de indentação. O primeiro foi o modelo de trinca difusa e o segundo foi o modelo de delaminação, ambos presentes no software comercial de elementos finitos MARC™. Os processos de fratura observados nestas simulações foram comparados com outros resultados apresentados na literatura especializada. Por fim, o uso concomitantemente dos dois modelos de danos foi uma nova abordagem para o estudo de falhas nos ensaios de indentação em filmes finos. ABSTRACT Recent studies propose using indentation testing as a tool to assess the mechanical characteristics of thin films, as well as evaluate possible cracking in systems that conjugate films with high hardness values deposited on metallic substrates in tribological solicitations. However, implementing the indentation technique to assess the behavior of these film/substrate systems, and their results continue to raise doubts in the scientific community. Because of these uncertainties in the studies of the indentation testing, the use of numerical analysis capable of evaluating stress and strain fields during the indentation cycle may help better interpret this test. As such, this study aimed to use the finite element method (FEM) to simulate indentation testing of Chronium Aluminum Nitride (CrAlN) high-hardness film deposited in a carbon steel substrate. Two different damage models were used to assess the fracture processes that occur in these testing. The first was the diffuse cracking model and the second the delamination model, both present in MARC™ finite element software. The fracture processes observed in these simulations were compared with other published results. Finally, the concomitant use of these two damage models was a new approach to the study of indentation testing damage in thin films.

Submitted by Ana Rebelo (amsr@isep.ipp.pt) on 2020-03-03T12:34:48Z No. of bitstreams: 1 DM_FernandoLoureiro_2019_MEM.pdf: 5627459 bytes, checksum: 052a0398e84d62afdb73b15c6eeeb5d4 (MD5) Approved for entry into archive by Ana Rebelo (amsr@isep.ipp.pt) on 2020-03-03T12:35:11Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DM_FernandoLoureiro_2019_MEM.pdf: 5627459 bytes, checksum: 052a0398e84d62afdb73b15c6eeeb5d4 (MD5) Made available in DSpace on 2020-03-03T12:35:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DM_FernandoLoureiro_2019_MEM.pdf: 5627459 bytes, checksum: 052a0398e84d62afdb73b15c6eeeb5d4 (MD5) Previous issue date: 2019

Aços inoxidáveis dúplex são fortes candidatos para aplicação em componentes e equipamentos para a indústria offshore devido as suas boas propriedades mecânicas e de resistência à corrosão. Entretanto, uma barreira para a ampliação do uso destes materiais consiste na fragilização por Hidrogênio, que pode, entre outras fontes, decorrer do uso de proteção catódica em estruturas submersas. Este fenômeno é de grande complexidade, uma vez que os mecanismos possuem uma forte dependência de uma série de parâmetros, assim como não há um único tipo de teste e uma propriedade capazes de caracterizar o comportamento do material. Então, a necessidade de extensa pesquisa, com testes de duração intrinsecamente longa gera uma dificuldade na qualificação destes materiais em mais aplicações, além de um severo conservadorismo nos projetos de engenharia. Este trabalho visa caracterizar o comportamento do aço inoxidável superdúplex UNS S32750 protegido catodicamente sob um potencial de -1.100 mVECS, sob carregamento de fadiga, através de uma abordagem de mecânica da fratura. Foram realizados ensaios de taxa de propagação de trincas, levantando-se a curva da/dN x ΔK, de modo a ver o efeito da fragilização por Hidrogênio em diversos estágios da vida em fadiga. Foram realizados também ensaios a ΔK constante varrendo a frequência de aplicação de carga, o que caracteriza o tempo para difusão do Hidrogênio à frente da trinca. Os parâmetros desta análise, juntamente aos mecanismos de fratura observados em ensaio, proveem modelos matemáticos que permitem determinar condições para que o aço fragilize, assim como a frequência de ensaio das curvas da/dN x ΔK, que compreende um compromisso entre conservadorismo e tempo hábil de ensaio. Foi observado na varredura de frequência que a difusão passa a ser mais importante para maiores valores de ΔK, o que está associado a uma maior quantidade de Hidrogênio que se aloja na zona à frente da trinca. As curvas da/dN x ΔK também apontam que, para baixos níveis de ΔK e Kmax, não há efeito da fragilização, o que também é suportado pelos aspectos fractográficos observados. A fragilização nestes aços está associada à clivagem cíclica da ferrita, um mecanismo cuja ativação depende da concentração de Hidrogênio que chega à ponta da trinca e da tensão necessária para clivagem. Isto reflete no fato que, em proteção catódica, não há deterioração do desempenho do aço inoxidável superdúplex UNS S32750 para baixos níveis de ΔK e Kmax. Duplex stainless steels are strong candidates to offshore and piping applications, given their good mechanical properties and corrosion resistance. However, a barrier to the expansion for the wider application of these materials consists of Hydrogen embrittlement provided by, among other sources, the use of cathodic protection on structures. This phenomenon is of great complexity, since the mechanisms depend strongly on a series of parameters, and there isn’t a single type of experiment capable of completely characterizing the material behavior. Therefore comes the need of extense research, with long duration tests, which causes difficulty on the qualification of these materials for more applications, along with the employ of more conservative designs on engineering projects. This work seeks to characterize the behavior of the superduplex stainless steel UNS S32750 while cathodically protected by a potential of -1.100 mVECS, under fatigue loading, using the fracture mechanics approach. Fatigue crack propagation rate test were performed, determining the da/dN x ΔK curve to compare the effect of Hydrogen embrittlement on various stages of fatigue life. Fatigue tests at constant ΔK were also performed scanning the load frequency, which describes the time for Hydrogen diffusion to the crack tip. The results from this analysis, along with the fracture mechanisms observed in the samples, provide mathematical models with data allowing them to predict conditions necessary for the steel to embrittle, as well as the appropriate frequency for the determination of the da/dN x ΔK curve, which involves a compromise between conservatism and test time. It was observed in the frequency scanning test that the diffusion has greater importance in high ΔK behavior, which is associated with a higher concentration of Hydrogen situated at the crack tip. The da/dN x ΔK curves point that for low levels of ΔK and Kmax, there is no effect from the embrittlement, which is also supported by the observed fractographic aspects. In these steels, the embrittlement is linked to the cyclic cleavage of ferrite, a mechanism dependant on the Hydrogen at the crack tip and the stress needed for cleavage to occur. This reflects on the fact that, under cathodic protection, there is no loss of performance of the superduplex stainless steel UNS S32750 for low levels of ΔK and Kmax

Submitted by Ana Rebelo (amsr@isep.ipp.pt) on 2020-04-15T10:45:36Z No. of bitstreams: 1 DM_RuiBrito_2019_MEM.pdf: 8158976 bytes, checksum: 52ac46d10fbc99b1248c5e3c46386af2 (MD5) Approved for entry into archive by Ana Rebelo (amsr@isep.ipp.pt) on 2020-04-15T10:46:04Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DM_RuiBrito_2019_MEM.pdf: 8158976 bytes, checksum: 52ac46d10fbc99b1248c5e3c46386af2 (MD5) Made available in DSpace on 2020-04-15T10:46:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DM_RuiBrito_2019_MEM.pdf: 8158976 bytes, checksum: 52ac46d10fbc99b1248c5e3c46386af2 (MD5) Previous issue date: 2019

Este trabalho apresenta o estudo de propagação de trinca na junta soldada de uma roda de caçambas que apresentou falha em campo após aproximadamente um ano de operação. Esta junta está localizada na transição entre o cubo do eixo de acionamento e a estrutura principal da roda de caçambas. Foram adotados os conceitos da Mecânica da Fratura Linear Elástica na análise. Os carregamentos resultantes do processo de escavação do material foram aplicados a um modelo de elementos finitos, a partir do qual se obtiveram as tensões atuantes na região fraturada. Alguns aspectos relacionados à junta soldada foram considerados na análise, tais como a ocorrência de tensões residuais na estrutura e o fator de amplificação do fator de intensidade de tensões devido à geometria da solda. Também foi levado em conta o fenômeno de fechamento de trinca, em função da presença de tensões compressivas no ciclo de carregamento. Devido à geometria peculiar da junta soldada, o fator de intensidade de tensões foi obtido de forma numérica para as trincas semielípticas e trincas passantes pela espessura consideradas, levando-se em conta a atuação de carregamentos de tração e de cisalhamento. A propagação foi avaliada tendo como direção preferencial tanto a profundidade quanto o comprimento da trinca, sendo adotada a equação de Walker (consideração do efeito da razão de tensões) para a determinação da taxa de propagação. Uma vida em fadiga coerente com a estimativa do número de ciclos até a falha da roda de caçambas foi obtida quando considerada a propagação de uma trinca preexistente na estrutura, em um campo de tensões residuais trativas através da espessura da chapa e ao longo do cordão de solda. Avaliou-se que a vida em fadiga com base em curvas S-N, para um detalhe de solda similar ao da junta soldada em estudo, foi superior ao número de ciclos estimado até a falha da roda de caçambas, indicando que algum defeito pode ter permanecido após a fabricação da roda e comprometido sua vida útil This work presents the study of crack propagation in the welded joint of a bucket wheel that failed in field after approximately one year of operation. This joint is located at the transition between the hub of the drive shaft and the main body of the bucket wheel. The concepts of Linear Elastic Fracture Mechanics were adopted in the analysis. The loads resulting from the material excavation process were applied to a finite element model, from which the stresses in the fractured region were obtained. Some aspects related to the welded joint were considered in the analysis, such as the occurrence of residual stresses in the structure and the magnification factor of the stress intensity factor due to the weld geometry. The crack closure phenomenon was also considered, due to the presence of compressive stresses in the loading cycle. Due to the peculiar geometry of the welded joint, the stress intensity factor was numerically obtained for the semi-elliptical cracks and through-thickness cracks considered, taking into account tensile and shear loads. The propagation was evaluated with the preferential direction of both the depth and the length of the crack, using the Walker equation (consideration of the stress ratio effect) for determining the propagation rate. A fatigue life consistent with the estimation of the number of cycles until the failure of the bucket wheel was obtained when considering the propagation of a preexisting crack in the structure in a field of residual tensile stresses across the thickness of the plate and along the weld bead. It was evaluated that fatigue life based on SN curves, for a weld detail similar to the weld joint under study, was higher than the estimated number of cycles until the bucket wheel failure, indicating that some defect may have remained after manufacture of the wheel and compromised its useful life

O crescimento de fendas sob o efeito de fadiga é frequentemente observado em diversos componentes mecânicos, o que pode levar a falhas catastróficas. Com tal, é de elevada importância que o fenómeno da fadiga, sob carregamentos de modo I, modo II e/ou modo III, seja melhor compreendido. Esta tese teve como objetivo principal a determinação dos fatores de intensidade de tensão 𝐾𝐼, 𝐾𝐼𝐼 e 𝐾𝐼𝐼𝐼 para diferentes dimensões de fendas inseridas em provetes cilíndricos, em provetes Compact Tension (CT) ou em provetes CT modificados. Foi assumido um estado plano de tensão para os provetes prismáticos e ambos os provetes, quer cilíndricos quer prismáticos, foram sujeitos a carregamento torsional. Os provetes foram numericamente simulados assumindo um material isotrópico, homogéneo e linear elástico. Os resultados foram obtidos utilizando o Método dos Elementos Finitos, através do programa computacional ANSYS. A zona de plasticidade junto da frente da fenda foi considerada infinitesimal quando comparada com as dimensões do provete; como tal, as Leis da Mecânica da Fratura Linear-Elástica foram consideradas válidas. Durante as simulações numéricas foram utilizados elementos finitos tetraédricos e foram introduzidas fendas semielípticas nas zonas analisadas. A validação do funcionamento do programa computacional foi feita através da simulação de um varão contendo uma fenda superficial semielíptica, sujeito a carregamento de modo I; os resultados de 𝐾𝐼 calculados pela norma BS 7910 estavam em concordância com os obtidos numericamente.